二氧化碳水合物动力学促进剂研究进展

利用水合物法捕获二氧化碳是当今世界的研究热点,但其应用受到了水合物的生成条件苛刻、生成速率缓慢等问题的限制,故需要利用特定促进剂来改善水合物法分离气体的性能。本文从动力学促进剂对二氧化碳水合物生成的影响效果和促进机理两个方面的研究进展进行了分析和介绍：在影响效果方面,主要阐述了不同类型动力学促进剂对水合物生成产生不同的影响以及在高浓度时对水合物生成产生的抑制作用,并分别分析了其原因;在促进机理方面,总结了国内外各学者的研究成果,并指出现有各种关于动力学促进剂促进机理的理论存在的不足。此外,还提出了未来关于二氧化碳水合物动力学促进剂的发展方向：一是着重研究动力学促进剂对水合物生成促进效果与其含有基团的关系;二是目前关于动力学促进剂促进水合物生成机理还没有统一定论,这可能是由于目前的研究主要集中在促进剂对水合物外部形态的改变而未探讨促进剂对水合物内部结构的改变,因此促进剂对水合物内部结构的改变上需进一步研究。     

卵磷脂对甲烷水合物形成的影响

建立了用于测定卵磷脂(lecithin)对钻井液中水合物形成影响的实验装置及方法,以理解化学添加剂卵磷脂对北极Cascade地区钻井过程中水合物层的稳定作用。本研究旨在理解卵磷脂对纯水中甲烷水合物形成热力学和动力学的影响。结果表明，卵磷脂基本上不影响甲烷水合物生成的热力学条件，但当卵磷脂在水中的浓度超过0.003 g·g^-1时，它会影响甲烷水合物的生成速度和数量,是很好的水合物生成动力学促进剂。     

二氧化碳水合物快速生成方法研究进展

气体水合物具有很多优点,却没有大规模的工业化利用,最主要的问题是生成二氧化碳水合物速率缓慢,阻碍了水合物法技术的应用,因此最大程度地提高其生成速率是气体水合物技术得以成功应用的关键。最常见快速生成二氧化碳水合物的方法是加入促进剂,而不同种类和浓度的促进剂对二氧化碳水合物生成速率的作用效果不同。故本文主要概述二氧化碳水合物快速生成的方法,从动力学促进剂、纳米流体以及离子促进剂进行分析, 分别总结了它们对水合物的生成机理。分析了十二烷基硫酸钠（SDS）、纳米石墨、氯化钠三者单独作用时及三者和不同促进剂复配时对二氧化碳水合物的诱导成核时间、生成速率、相平衡、表面张力等方面的影响。最后指出：单一的促进剂都存在最佳浓度,但其会随着不同温度、压力等多种因素的改变而改变,以及不同种类的促进剂复配时存在协同作用且生成效果比单一的好,揭示不同温度、不同压力时最适宜的单一促进剂对水合物生成影响的规律及找出最适宜提高水合物生成速率的促进剂是今后研究的重点方向。目前各种单一的及复配的促进剂对水合物的生成影响尚未形成完整的体系,需要进一步研究。     

水合物生成记忆效应研究进展

从水合物生成记忆效应的形成机理和影响因素角度出发,对当前水合物生成记忆效应的研究现状进行梳理与总结。针对水合物生成记忆效应的形成机理,简要分析了目前比较公认的两种假说。简述了水合物生成分解后的处理历史对水合物生成记忆效应的影响,提出矿物离子、热力学抑制剂及动力学抑制剂等物质都会对水合物生成记忆效应存在显著影响。同时指出不同类型水合物之间的记忆效应以及体系压力、矿物离子、化学添加剂及蜡晶的析出等对记忆效应的影响,都是需要进一步深入研究的问题。     

动力学水合物促进剂研究进展

动力学水合物促进剂是实现水合物法(NGH)储运天然气技术大规模工业化应用的关键。首先简单介绍了NGH技术与其它常规储气相比时的技术特点和优势,其次从表面活性剂类、氨基酸类、淀粉和聚合物类和纳米流体类等系统调研了动力学水合物促进剂的最新研究进展,最后分析认为氨基酸类促进剂的促进机理及纳米流体颗粒对水合物生成动力学的影响等方面应为日后该领域的研究重点。     

水合物法提纯沼气技术研究进展

沼气是一种重要的可再生能源,对沼气进行充分高值利用对于缓解我国能源需求和环境压力具有重要意义。沼气在高值利用前必须进行脱碳提纯处理,本文介绍了一种可用于沼气提纯的新技术--水合物分离技术。介绍了水合物分离技术的基本理论,调研总结了水合物法提纯沼气和可用于沼气体系（CH₄/CO₂）的水合物分离技术研究进展,包括相平衡研究、热力学促进剂、动力学促进剂、机械强化、外场强化、添加多孔介质/纳米流体等和采用油/水乳液促进技术,并对各种水合物分离促进技术进行了分析：相平衡研究为水合物法提纯沼气提供了理论基础;合理地选用热力学和动力学促进剂能够有效改善气体水合物相平衡条件,促进水合物生成,增加储气效果和提高分离效率;机械强化及外场作用通过强化水合反应过程的传质传热效果促进水合物生成;添加多孔介质和纳米流体等能够增大气液接触面积,对水合过程发挥促进作用;采用油/水乳液不但能够强化气液接触,而且微乳状态下的水合物具有很好的流动性,具有良好工业应用前景。最后对水合物法提纯沼气技术进行了展望,水合物提纯沼气研究虽处在起步阶段,但随着研究的不断深入,该技术凭借操作条件温和,对原料气要求低,并且具有操作简单灵活、安全性高、环保无污染等优点,必将在我国沼气产业发展过程中发挥作用。     

水合物储气促进技术研究进展

气体水合物是一种笼形晶体化合物，单位体积的水合物可包含标准状况下160～180（v/v）的天然气，是一种潜在的固态天然气储运方法，受到广泛关注。由于天然气在水中溶解度小，天然气水合物在纯水中通常难以形成，形成的水合物中天然气含量也不高。为提高水合物储存天然气的密度，提高水合物生长速度，研究者探索了多种促进水合物形成的方法，如物理强化以及热力学与动力学促进剂等化学强化方法。本文总结了搅拌、喷雾、鼓泡等机械方法和向水合体系中添加热力学促进剂、动力学促进剂等方法对水合物形成和储气能力的影响，讨论了这些技术措施影响水合物形成与储气能力的机理。指出表面活性剂与其他促进技术的协同是改善水合物生长和储气密度的有效方法，其复合作用机理有待进一步研究。     

动力学水合物促进剂研究进展

动力学水合物促进剂是实现水合物法(NGH)储运天然气技术大规模工业化应用的关键。首先简单介绍了NGH技术与其它常规储气相比时的技术特点和优势,其次从表面活性剂类、氨基酸类、淀粉和聚合物类和纳米流体类等系统调研了动力学水合物促进剂的最新研究进展,最后分析认为氨基酸类促进剂的促进机理及纳米流体颗粒对水合物生成动力学的影响等方面应为日后该领域的研究重点。     

气体水合物形成的热力学与动力学研究进展

气体水合物形成过程中涉及复杂的热力学和动力学问题.本文对水合物热力学理论模型、水合物生成动力学机理等方面的研究成果和最新进展进行了综述.热力学方面重点介绍了基于等温吸附理论 (van der Waals-Platteeuw模型)和基于双过程水合物生成机理(Chen-Guo模型)的相平衡热力学模型,同时介绍水合物结构及其转变方面的最新研究成果.动力学方面介绍了成簇成核、界面成核等成核机理模型以及成核后的水合物生长机理.另外还述及了目前水合物热力学和动力学研究中所涉及的微观、亚微观和宏观测量方法.针对目前水合物热力学和动力学研究中存在的问题,对未来的发展方向和重点提出了建议.     

天然气集输中水合物控制研究进展

缓解天然气水合物引起的输气管线堵塞问题的热力学方法有脱水、加热、减压、添加抑制剂等,其破坏生成水合物的热力学条件。脱水和加抑制剂是预防措施,以(TEG)吸收和分子筛吸附为主。抑制剂以甲醇、乙二醇为主;加热、降压只用于解堵。动力学抑制剂仅降低水合物的生成速度,而不改变热力学条件而实现;以PVP、PVCap、Poly(VP/VC)等聚合物为主,同时复配醚类、醇类,加量在1.0%~5.0%。防聚剂则改变水合物的生成形态和生成量,使其与流体相均匀混合流动而不发生堵塞。热力学抑制剂加量大、毒性强是不利因素。动力学抑制剂是行业发展的方向。     

Phase behavior and kinetics properties of gas hydrates in confinement and its application

Massive amounts of gas hydrates occur naturally in the pores of sediments or fractures in permafrost regions and beneath the oceans. For hydrate formation in confinement, the equilibrium condition can shift to harsher conditions, lowering the water activity and subsequently depressing the hydrate freezing temperature at a given pressure. Conversely, the nucleation and rate of hydrate formation, as well as hydrate conversion can be increased in confinement. Therefore, reliable assessment of the hydrate distribution in nature requires accurate thermodynamic and kinetic models of hydrate formation; however, these models tend to be based upon the properties of bulk hydrates. Hydrate formation and growth promotion in confinement are also potentially interesting for hydrate technological applications, such as gas separation, energy storage, and flow assurance. This paper reviews the thermodynamic and kinetic properties and their interrelations of gas hydrates in confined spaces.     

Investigation on the effect of oxalic acid,succinic acid and aspartic acid on the gas hydrate formation kinetics

Gas hydrate reserves are potential source of clean energy having low molecular weight hydrocarbons trapped in water cages. In this work, we report how organic compounds of different chain lengths and hydrophilicities when used in small concentration may modify hydrate growth and either act as hydrate inhibitors or promoters. Hydrate promoters foster the hydrate growth kinetics and are used in novel applications such as methane storage as solidified natural gas, desalination of sea water and gas separation. On the other hand, gas hydrate inhibitors are used in oil and gas pipelines to alter the rate at which gas hydrate nucleates and grows. Inhibitors such as methanol and ethanol which form strong hydrogen bond with water have been traditionally used as hydrate inhibitors. However, due to relatively high volatility a significant portion of these inhibitors ends up in gas stream and brings further complexity to the safe transportation of natural gas. In this study, organic additives such as oxalic acid, succinic acid and L-aspartic acid (all three) having—COOH group(s) with aspartic acid having an additional—NH₂ group, are investigated for gas hydrate promotion/inhibition behavior. These compounds are polar in nature and thus have significant solubility in liquid water; the presence of weak acidic and water loving (carboxylic/amine groups) moieties makes these organic acids an excellent candidate for further study. This study would pave ways to identify a novel(read better) promoter/inhibitor for gas hydrate formation. Suitable thermodynamic conditions were generated in a stirred tank reactor coupled with cooling system; comparison of gas hydrate formation kinetics with and without additives were carried out to identify the effect of these acids on the formation and growth of hydrates. The possible mechanisms by which these additives inhibit or promote the hydrate growth are also discussed.     

水合物法分离合成气实验研究

分别测定了煤气化合成气在纯水以及两种不同浓度(6%(mol)和5%(mol)的四氢呋喃(THF)水溶液中的水合物生成条件,实验结果表明THF的加入可以大大降低合成气生成水合物的压力,使合成气能够在较低的压力下通过生成水合物的方法得到分离,同时也为该分离方法应用于实际工业装置提供了可行性。研究还成功地将Chen-Guo水合物热力学模型应用到含有一氧化碳气体的水合物生成条件的预测,并对合成气在纯水中不同温度下生成水合物的压力进行了计算,与本次实验值比较,得到平均误差为8.64%,肯定了实验结果的准确性。在此基础上,选定在5%(mol)THF水溶液中,气液比为100:1,反应压力为5MPa(绝)的条件下,分别进行反应温度为279.15K、281.15K、283.15K、284.15K和285.15K的水合物法分离合成气实验,提浓其中的氢气和一氧化碳。实验结果表明,284.15K时,氢气的回收率达到79.8%,氢气和一氧化碳的总回收率为76.0%,分离后二者总的体积百分含量由原料气中的88%提高到93%,分离效果较为满意。     

Growth kinetics of hydrate formation from water–hydrocarbon system

Gas hydrates have drawn global attentions in the past decades as potential energy resources. It should be noted that there are a variety of possible applications of hydrate-based technologies, including natural gas storage, gas transportation, separation of gas mixture, and seawater desalination. These applications have been critically challenged by insufficient understanding of hydrate formation kinetics. In this work, the literatures on growth kinetic behaviors of hydrate formation from water-hydrocarbon were systematically reviewed. The hydrate crystal growth, hydrate film growth and macroscopic hydrate formation in water system were reviewed, respectively. Firstly, the hydrate crystal growth was analyzed with respect to different positions, such as gas/liquid interface, liquid–liquid interface and gas–liquid–liquid system. Secondly, experimental and modeling studies on the growth of hydrate film at the interfaces between guest phase and water phase were categorized into two groups of lateral growth and thickening growth considering the differences in growth rates. Thirdly, we summarized the promoters and inhibitors reported (biological or chemical, liquid or solid and hydrophobic or hydrophilic) and analyzed the mechanisms affecting hydrate formation in bulk water system. Knowledge gaps and suggestions for further studies on hydrate formation kinetic behaviors are presented.     

气体水合物生成微观机理及分析方法研究进展

水合物技术在能源和气候领域有着广阔的应用前景,有望成为应对能源挑战和气候变化的关键技术。但目前该技术存在着水合物生成速率慢、气体消耗量低的缺点,限制了水合物技术的工业化发展。从微观机理的角度,梳理和总结了关于气体水合物生成机制的理论观点,简述了驱动力和气体溶解度在水合物成核过程中的影响,介绍了表面活性剂和纳米粒子对水合物形成的影响机理以及常用的微观分析技术。分析发现,气体水合物的形成机制时至今日仍未有统一定论,对于促进剂作用机理的研究也不够充分,现有的微观分析手段难以捕捉水合物形成过程中的分子行为。这些问题限制了水合物技术向更快、更高效方面发展。探究水合物技术的相关机理,了解各类影响因素的作用原理,探索新的分析手段,将有助于突破水合物技术的瓶颈,为寻找更佳性能的促进剂、更高效地合成水合物探明道路。     

气体水合物生成微观机理及分析方法研究进展

水合物技术在能源和气候领域有着广阔的应用前景,有望成为应对能源挑战和气候变化的关键技术。但目前该技术存在着水合物生成速率慢、气体消耗量低的缺点,限制了水合物技术的工业化发展。从微观机理的角度,梳理和总结了关于气体水合物生成机制的理论观点,简述了驱动力和气体溶解度在水合物成核过程中的影响,介绍了表面活性剂和纳米粒子对水合物形成的影响机理以及常用的微观分析技术。分析发现,气体水合物的形成机制时至今日仍未有统一定论,对于促进剂作用机理的研究也不够充分,现有的微观分析手段难以捕捉水合物形成过程中的分子行为。这些问题限制了水合物技术向更快、更高效方面发展。探究水合物技术的相关机理,了解各类影响因素的作用原理,探索新的分析手段,将有助于突破水合物技术的瓶颈,为寻找更佳性能的促进剂、更高效地合成水合物探明道路。     

离子液体与PVP K90复合抑制剂对甲烷水合物的生成影响

注入抑制剂是油气行业解决管道输送过程因水合物生成而引发的堵塞问题最常用的方法。但现有大多数动力学抑制剂（KHIs）存在抑制性能不足、高过冷度条件下会失效等问题，可应用场合大大受限。离子液体作为绿色溶剂对甲烷水合物具有良好的热力学抑制作用。为改进KHIs的性能，提出将离子液体与KHIs复合。本文实验考察8.0 K过冷度、两种浓度下[1.0%(质量)、2.0%(质量)]离子液体N-丁基-N-甲基吡咯烷四氟硼酸盐([BMP][BF₄])、聚乙烯基吡咯烷酮（PVP K90）以及二者复配构成的复合型抑制剂对甲烷水合物抑制规律，得到了最佳组分配比。利用粉末X射线衍射（PXRD）和低温激光拉曼光谱测量了不同抑制剂体系中形成的甲烷水合物晶体微观结构和晶穴占有率，发现添加抑制剂不会改变sI型甲烷水合物晶体结构，但会影响水合物晶体的大、小笼占有率和水合数。结合宏观动力学实验和微观结构测试结果，揭示离子液体与PVP K90复合抑制剂的抑制机理。     

Effect of complex inhibitors containing ionic liquids and PVP K90 on formation of methane hydrate

Injecting inhibitors is the most commonly used method in the oil and gas industry to solve the problem of blockage caused by hydrate formation during pipeline transportation. However, most of the kinetic hydrate inhibitors (KHIs) are strictly limited by weak inhibition performance and low subcooling. Ionic liquids, a kind of green solvent, have been recognized to act as excellent thermodynamic inhibitors on methane hydrate formation. So, it is proposed to add the ionic liquids into KHIs to improve their overall performance. In this paper, the kinetic effects of an ionic liquid N-butyl-N-methylpyrrolidine tetrafluoroborate ([BMP][BF₄]), a commercial kinetic inhibitor polyvinyl pyrrolidone (PVP K90) and their mixtures with different mass ratios on the methane hydrate formation were experimentally studied at 8.0 K subcooling and two concentrations [1.0%(mass) and 2.0%(mass)]. The best mass ratio of the compound inhibitor was determined. Moreover, the crystal structures and cage occupancy characteristics of methane hydrates formed without and with inhibitors at different mass concentrations and composition ratios were measured by using powder X-ray diffraction (PXRD) and low-temperature Laser Raman spectrometers. It was found that the addition of inhibitors did not change the crystal structure of methane hydrate, but affected the cage occupancies and hydration numbers. Based on the results from macroscopic kinetics and microscopic structure tests, the inhibition mechanism of compound inhibitors was proposed.     

含环戊烷体系中二氧化碳水合物形成分解热特性

水合物法分离捕集二氧化碳（CO₂）是实现碳减排的重要技术。然而，受制于气体水合物形成分解微观机理的不明确，水合物形成速度慢及气体消耗量低两个关键问题还未得到解决，气体水合物CO₂分离捕集技术还未得到商业应用。为了揭示气体水合物形成微观机理，本研究利用激光Raman光谱仪对不同实验条件下生成的CO₂水合物进行测试，详细分析了生成的气体水合物的Raman峰，利用低温高压差式扫描量热仪（DSC）对含环戊烷（CP）体系中CO₂水合物形成分解进行热表征。研究发现，恒容条件下，初始压力为2.5MPa时，气体消耗量为0.0187 mol/mol，CO₂的Raman峰出现在1276.3 cm^-1和1379.6 cm^-1；初始压力为5.0MPa时，气体消耗量为0.744mol/mol，CO₂的Raman峰出现在1276.1 cm^-1和1379.6 cm^-1。CO₂水合物形成分解热结果表明，一方面，随着操作温度、压力条件的变化，形成水合物的种类与结构发生改变；另一方面，对于相同初始体系，最终形成的水合物不是单一的，而是多种水合物共存。此研究结果为进一步理清气体水合物形成微观机理提供了理论基础和重要的科学依据。