螺旋内槽管内天然气-水-表面活性剂体系的水合物生成动力学计算

针对多组分气体(天然气)-水-表面活性剂体系在螺旋内槽管内的水合物生成过程,首先采用CFD方法结合群体平衡模型(PBM),基于溶质渗透模型和Kolmogorov各向同性湍流理论对螺旋内槽管内气液传质系数进行了模拟;其次基于Kashchiev和Firoozabadi的经典水合物成核和生长理论,将其体系从单组分-水系统扩展到多组分气体(天然气-水-十二烷基硫酸钠)系统,同时结合经典结晶理论利用传质系数对水合物生长模型进行了修正,建立了适用于螺旋内槽管流动体系内天然气水合物生成动力学模型。通过模拟计算,获得不同水合物生产条件下天然气在水中的平均传质系数;进而利用Microsoft Visual C++编程计算得到不同条件下水合物生成动力学数据,在考察范围内,天然气水合物的成核速率随着反应体系有效表面能的增大而锐减,而水合物生成驱动力和生长速率未受影响,同时水合物生长速率随着流速和反应压力的增大及温度的降低而增大,成核速率随着压力的增大和温度的降低而增大。     

鼓泡器中环戊烷-甲烷-盐水体系水合物的生成动力学

采用鼓泡装置研究了盐水体系中环戊烷（CP）-甲烷水合物的生成动力学,分别考察了进气速率、温度、压力对水合物生成速率和进气速率对气体转化率的影响。结果显示,提高进气速率、压力,降低温度均可提高水合物生成速率。但进气速率对气体转化率有影响,进气速率过大,单位时间内进入到反应器内的气体过多,气体还未参与反应便被排出,导致气体转化率反而减小。通过观察到的实验现象,分析环戊烷-甲烷水合物的生成过程,认为水合物晶体首先在环戊烷-水界面生成,并逐步向内部气相生长,最后水合物壳破裂,气泡逸出。水合物逐渐生长成粒状,并不断聚集在一起。     

油包水乳化液滴形成甲烷水合物的动力学特性研究

针对油气输运管线中天然气水合物堵塞问题,重点研究了油包水乳化液滴形成气体水合物的动力学特性。根据原油的甲烷溶解能力经验模型,预测了油包水乳化液(35%(V)水和65%(V)白油)中油-液两相区的甲烷饱和溶解度,优化了乳化液滴的水合反应动力学模型,并且对单个乳化液滴在不同压力和不同液滴尺寸条件的水合物结晶过程进行了数值模拟。研究结果表明,水合物在白油-水乳化体系的结晶生长过程是一个缩核过程,甲烷消耗量和反应速率随着液滴半径的增大而增大,但是水合物转化率随着液滴半径的增大而减小;压力越高,水合物转化时间越短,该结果对揭示油包水乳化液滴的水合结晶机理以及油气输运管线水合物抑制技术的发展具有重要意义。     

机械扰动强化气体水合物快速生成研究进展

气体水合物技术在天然气固态储运、CO₂捕获与封存等领域具有广阔的应用前景。高效快速制备水合物是水合物应用技术产业化的关键技术之一。从成核机理、相平衡、传热和传质等角度简述了气体水合物快速生成机理,回顾了常见的搅拌、喷淋和鼓泡等机械扰动强化气体水合物快速生成方法的基本原理和特性。依据强化传质传热领域内的新进展,进一步阐述了新型机械扰动强化气体水合物快速生成方法的基本原理和特性,重点综述了流化床、超声波、超重力、撞击流等技术的研究进展。从耗气率、水合物生成速率、总能耗、气体转化率等角度分析评价了各种机械扰动强化气体水合物快速生成方法的优缺点。总体来说,目前各种机械扰动强化气体水合物生成技术仍处于实验室阶段,传统的搅拌、喷淋和鼓泡强化技术生成速率较低;新型的流化床、超声波、超重力和撞击流等技术也存在各种不同的缺点,有待进一步优化改进。同时指出探究微观成核机理、开发新型易固液分离的气体水合物生成系统以及构建水合物反应器评价体系等是未来气体水合物快速生成相关研究中需要进一步解决的问题。     

HCFC-141b制冷剂气体水合物生长过程的形态

通过实验观测了HCFC - 141b制冷剂气体水合物的生成过程 ,认为水相和制冷剂相在过冷的条件下在界面上局部成核 ,成核扩展至两相接触的整个界面 ,水合物的进一步生成是由于制冷剂相通过水合物层扩散到水相中形成的 .利用显微实验的生成图像计算了水合物晶体的生长速率 ,并与外冷实验中的晶体生长速率比较 ,认为扰动增大了制冷剂相和水相的两相相界面的接触维数 .     

油水体系内水合物的生成:温度、压力和搅拌速率影响

水合物在管道内的生成对流动安全保障构成了极大威胁。为研究水合物在油水体系内的生成特性,本文以天然气、柴油、水为实验介质,在高压可视反应釜内开展了一系列不同温度、压力和搅拌速率的水合物生成实验。根据测试实验中温度、压力的变化趋势,首先分析了两种不同实验步骤下水合物的生成过程。然后,基于从反应釜可视窗处观察到的实验现象,研究了温度、压力和搅拌速率对水合物生成和分布位置、水合物生成形态及水合物形态演化过程的影响。实验中,可以观察到水合物的聚集、沉积和壁面膜生长现象。同时,实验还研究了温度、压力和搅拌转速对诱导时间、壁面水合物膜生长速率及气体消耗速率等水合物生成动力学参数的影响。本文研究成果可为油气管道水合物防治技术的发展提供理论支持。     

甲烷-四氢呋喃-水体系水合物生成动力学的实验和模型化研究

研究了透明鼓泡塔中含促进剂四氢呋喃（THF）体系中甲烷水合物的生成动力学.分别考察了进气速率、温度、压力、水合物体积分数对甲烷消耗速率的影响.根据Chen-Guo水合物生成机理,采用基础水合物生成反应的量纲1 Gibbs自由焓变-ΔG/RT作为反应的推动力,建立了水合物生成动力学模型,模型中考虑了体系温度、压力和气液接触比表面积的影响.把模型应用于甲烷气体消耗速率的计算,其模型预算结果与实验数据吻合良好,实验结果和反应动力学模型将有助于工业水合反应器的设计和操作条件的设定.     

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.     

冰点以下多孔介质中气体水合物的生成动力学研究进展

青藏高原冻土区储存着大量的天然气水合物资源,CO₂置换开采冻土区的天然气水合物可实现天然气水合物的安全开采和温室气体CO₂的地层封存。冰点以下多孔介质中气体水合物的生成动力学,是冻土区天然气水合物置换开采研究领域的难点和热点问题。本文全面综述了冰点以下多孔介质中气体水合物的生成动力学研究进展,讨论了不同体系冰点以下多孔介质中气体水合物的形成机理及其生成特性;详述了冰生成水合物机理及其冰粉/多孔介质体系中气体水合物的生成特性,分析了冰点以下多孔介质中气体水合物生成动力学研究尚待完善和改进的地方。最后本文指出冰点以下多孔介质中水合物的生成过程是由传热、传质等多种因素所控制,揭示不同过程的主导因素及其影响规律是今后研究的重点方向。目前对冰点以下多孔介质中水合物的生成特性及机理的认识尚未成熟,仍需深入研究。     

泡状流中水合物生成预测模型及实验

针对可燃冰钻采井筒内易发生水合物生成和堵塞的工程问题,本文开展了泡状流条件下甲烷水合物生成实验,发现流速增加会提高水合物生成速率,黄原胶质量分数的增加会降低水合物生成速率。基于传质理论,构建了适用于可燃冰钻采井筒内泡状流条件下水合物生成预测模型,模型考虑了连续相流体流变性、气泡破裂、聚并和形变等因素对泡状流中气液界面分布和气液间传质规律的影响,并耦合实验数据,提出了气泡群间的综合传质系数经验公式,用于描述气泡间相互作用对气液间传质速率的影响。对比实验结果,所建立模型对水合物生成量和水合物生成速率的预测误差分别在±5%和±15%以内,满足工程计算需求。该模型的构建有助于精准预测油气和可燃冰钻采井筒内水合物风险,为建立经济、高效的井筒水合物防治方案奠定理论基础。     

Modelling and experimental study of hydrate formation kinetics of natural gas‐water‐surfactant system in a multi‐tube bubble column reactor

To promote the heat and mass transfer during the hydrate formation process, an internal spiral‐grooved tube (ISGT) was proposed as the reaction tube in a large‐scale multi‐tube bubble column reactor with external slurry circulation. In order to investigate such multi‐component gas (natural gas)‐water‐surfactant systems during the hydrate formation process in the ISGT, based on the solute permeation model and Kolmogorov isotropic turbulence theory, a CFD method combined with the population balance model (PBM) was utilized to simulate gas‐liquid mass transfer coefficient. Then, the hydrate formation kinetics model in ISGT was modelled based on the model proposed by Kashchiev and Firoozabadi. The hydrate formation experiments were carried out in the multi‐tube bubble column reactor at six different pressure‐temperature‐circulating flow velocities of piston pump regimes to investigate the actual formation process of natural gas hydrate. The experimental results were then used to finetune the optimized parameters to facilitate accurate model predictions.     

Study of the Kinetics and Morphology of Gas Hydrate Formation

The kinetics and morphology of ethane hydrate formation were studied in a batch type reactor at a temperature of ca. 270–280 K, over a pressure range of 8.83–16.67 bar. The results of the experiments revealed that the formation kinetics were dependant on pressure, temperature, degree of supercooling, and stirring rate. Regardless of the saturation state, the primary nucleation always took place in the bulk of the water and the phase transition was always initiated at the surface of the vortex (gas‐water interface). The rate of hydrate formation was observed to increase with an increase in pressure. The effect of stirring rate on nucleation and growth was emphasized in great detail. The experiments were performed at various stirring rates of 110–190 rpm. Higher rates of formation of gas hydrate were recorded at faster stirring rates. The appearance of nuclei and their subsequent growth at the interface, for different stirring rates, was explained by the proposed conceptual model of mass transfer resistances. The patterns of gas consumption rates, with changing rpm, have been visualized as due to a critical level of gas molecules in the immediate vicinity of the growing hydrate particle. Nucleation and decomposition gave a cyclic hysteresis‐like phenomena. It was also observed that a change in pressure had a much greater effect on the rate of decomposition than it did on the formation rate. Morphological studies revealed that the ethane hydrate resembles thread or is cotton‐like in appearance. The rate of gas consumption during nucleation, with different rpm and pressures, and the percentage decomposition at different pressures, were explained precisely for ethane hydrate.     

天然气水合物优化合成实验研究

水合物储运技术实用化的进程中,如何提高水合物制备效率,实现高密度的储存是最为关键的问题。文中对此应用新型雾化系统对气水合物的强化合成技术进行了实验研究。结果表明:压力提高对水合物生长加速作用明显;活性剂组分和雾化方式提供了最优的气液传质条件,极大地加快了溶解、成核及生长过程,其整体反应速度提高了1倍以上,最终含气体积比也显著提高;分解水重复生成、水合物晶种的投入也能极大加快成核过程,缩短诱导期,从而提高反应速率。     

天然气水合物形成与生长影响因素综述

天然气水合物(NGH)是水分子和天然气分子形成的一种复杂的笼型晶体,其在油气管道输送、天然气储存和制冷等行业中都具有重要的研究意义和利用价值,但天然气水合物的形成是一个多组分、多阶段的复杂过程,不同因素对于天然气水合物形成和生长的影响尚有待明确。本文介绍了天然气水合物形成的物理过程以及水合物成核的3种机理假说;详细梳理了基质两亲性、添加剂、多孔介质环境和杂质、液体组成、温度压力以及流动条件等因素对于天然气水合物形成和生长的影响,并对其作了简要分析。同时指出,原油组成对于水合物抑制效果的定量化、蜡晶结构对于水合物形成过程中传质和传热的影响以及微观化的动力学抑制剂抑制机理等都是水合物相关研究中需要进一步深入探究和明确的问题。     

Steady gas hydrate growth along vertical heat transfer tube without stirring

The hydration characteristics of a quiescent reactor with inner-placed vertical heat transfer tube were researched, the reaction materials were 300 ppm sodium dodecyl sulfate water solution and R141b. The growth morphology were described through the photos taken during the growth/decomposition processes. The temperatures of two points inside the reactor were also recorded and analyzed. The mass transfer mechanism was explained by surface free energy theory, the heat transfer process was also simulated. It was revealed that water can permeate into the guest phases along the surface of heat transfer tube, so massive gas hydrate can grow steadily along the vertical heat transfer tube in the guest phases without mechanic stirring, the reaction heat can be removed quickly by the coolant flowing inside the heat transfer tube. This finding will benefit gas hydrate application technologies such as natural gas storage and transportation with hydrate, or refrigerant cool storage with gas hydrate.     

Modelling hydrate formation kinetics of a hydrate promoter-water-natural gas system in a semi-batch spray reactor

Hydrate formation kinetic modelling studies reported so far mainly concentrates on pure water-gas systems in stirred-tank batch environments. This work proposes a model for gas hydrate formation kinetics of a hydrate promoter-water-natural gas system in a semi-batch reactor assuming steady-state, isothermal and isobaric conditions. The hydrate formation kinetics was modelled after extending the recent method proposed by Kashchiev and Firoozabadi (J. Crystral Growth 241 (2002a) 220; J. Crystal Growth 243 (2002b) 476; J. Crystal Growth 250 (2003) 499) for a single component gas-water system to a multi-component gas-water-additive system. The extended Kashchiev and Firoozabadi model was applied for a semi-batch spray reactor here for the first time. The hydrate formation experiments were carried out in a pilot plant spray reactor at three different pressure-temperature regimes to determine the actual hydrate formation kinetics in the spray reactor. The experiment results were then used to finetune the adjustable parameters to facilitate accurate model predictions.