气体水合物快速生成强化技术与方法研究进展

水合物技术可应用于天然气储运、污水处理、海水淡化、混合气体分离、水溶液浓缩以及水合物蓄冷等领域,而该技术成功应用的关键在于如何强化水合物快速生成.本文介绍了水合物的生成机理,综述了气体水合物快速生成强化技术与方法研究进展,分析了各自的优缺点,并对气体水合物快速生成技术进行了展望.     

气体水合物生成过程强化方法研究进展

全面综述了气体水合物生成过程强化技术的研究进展,分析了各种强化方法的研究现状及其优缺点. 现有的过程强化技术只针对水合反应过程,通过搅拌、鼓泡和添加化学添加剂等方式均能缩短水合物生成诱导时间,促进其生成;水合物生成过程是一个复杂的传热传质及水合反应过程,过程机理有待深入研究,需建立包括温度、压力、客体尺寸和水的状态及搅拌程度等因素综合作用下的水合物生长模型,准确揭示水合物生成过程的强化机理. 最后指出了气体水合物生成过程强化技术存在的问题和今后的研究方向.     

水合物形态学研究进展

水合物技术在气体分离、气体储存、海水淡化、蓄冷等领域有巨大的应用潜力。研究水合物的生长方式和形态特征在提高水合物储气量、降低水合物开采风险和防止水合物管道堵塞等方面有重要意义。本文从分子尺度的水合物晶格结构、毫米尺度的水合物晶体形态学和厘米尺度的水合物宏观生长形态学三个方面系统回顾了水合物形态学研究进展：总结了不同客体分子生成的不同类型水合物的不同晶格结构;从笼型水合物和半笼型水合物两个方面,阐述了过冷度、液相组成对水合物晶体形态学的影响;从金属表面传热、相界面传质、晶核加入以及促进剂的使用四个方面,介绍了水合物生长形态学的生长方式及其机理。本文总结了形态学研究对水合物技术工业化应用的积极作用并为水合物形态学研究的进一步发展提供参考。     

水合物溶液分离技术研究进展

水合物法溶液分离是一种新兴的分离技术。本文概述了水合物溶液分离技术的基本原理,指出水合物溶液分离技术的优缺点。重点回顾了水合物溶液分离技术在海水淡化、废水处理、果汁浓缩、生化分离等过程中的研究进展：尽管水合物海水淡化已经有工业化的报道,但是水合物生成压力较高,分离过程能耗较大,阻碍了该技术的推广应用;水合物法废水处理仅局限于制浆废水回收方面;水合物果汁浓缩以及生化分离方面的研究表明水合物法对于高附加值产品分离十分有效。分析表明,水合物溶液分离技术在上述应用过程中存在水合物生成压力大、水合物结晶夹带浓缩液等问题,指出未来水合物溶液分离技术的研究方向为寻找更加有效的水合物生成气体以及在高附加值产品分离回收过程中的应用。     

水合冷冻法海水淡化研究

试验研究了HCFC-141b在含盐溶液中的水合和分解过程,测定了水合物分解后的盐度变化.结果表明,HCFC-141b在盐水中生成水合物的过程中,盐水的浓度对水合物生成的过冷度有一定影响,浓度太低或太高都对过冷度影响不大,1.0%的氯化钠可以有效减小过冷度.测量水合物分解后的水溶液发现盐度显著降低,用水合物的生成和分解可以达到海水淡化的目的.根据水合物的特点设计了水合物法海水淡化的试验装置,筛选了适用于该方法的水合物工质,其中乙烷为最好的水合物法海水淡化工质.通过计算发现加大气体流量、提高充气压力和改善生成条件可提高淡水产率,当50%的气体参加水合反应则淡水产率可提高到1.25 L·min-1.     

笼形水合物及水合物技术现状及展望

简要介绍了笼形水合物概念及水合物研究史。阐述了水合物的3种晶体结构以及客体分子对晶体结构的影响，讨论了密度、热导率等物性，评述了水合物生成条件和生成机理方面的研究成果。着重介绍了水合物技术在水溶液浓缩和海水淡化、气体混合物分离、气体储运、近临界和超临界萃取、生物蛋白酶提取等主要领域中的应用状况。     

近冰点多孔介质中甲烷水合物生成的温度敏感性

水合物技术是实现天然气储存、气体分离、海水淡化和二氧化碳捕集等的潜在可行途径之一,水合物技术为了降低生产成本同时又保持系统流动性,通常选择冰粉或冰浆等形式使生成反应在冰点附近进行;自然界的天然气水合物多数赋存于天然的多孔介质内,随着全球气温升高,甲烷水合物在临界条件附近的敏感性会导致储层的稳定性下降及潜在的甲烷大量释放,尤其是受气候变化影响较大的冻土带天然气水合物,其储层温度一般也处于冰点附近。本工作研究了硅砂(0.1~0.5 mm)中甲烷水合物在近冰点的形成过程与动力学特征,分别在273.75, 273.85和273.95 K小温差下研究了压力、温度、反应速率和甲烷吸收量变化,分析并计算了硅砂孔隙中水合物、水相和气相的最终体积饱和度。温度与反应速率的变化表明,水合物生成过程呈现出明显的三个阶段,在不同的阶段,温度和反应速率表现出独特的变化特征如峰值、持续时间等,同时对环境温度的敏感性非常强,温度升高后甲烷水合物生长速率及其在孔隙中的饱和度均有所降低,低温下水合物生长点晚及对应诱导期持续更长。     

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。     

一种新型水合物法海水淡化系统能耗及经济性分析

提出一种新型水合物法海水淡化流程,并基于该流程对海水淡化系统进行了模拟计算,得到海水淡化的能耗.同时,在计算淡化方法的总资产投资、运行维修成本、摊销总资产投资和摊销运行维修成本等经济参数的基础上,获得其最终的淡化成本.结果表明,淡水产率对能耗和生产成本影响很大,随着产率比的提高,相应的总能耗和总生产成本降低,而增加淡水产率需要改进水合物生成的动力学和热力学条件以及选择适合的工质.采用本文的水合物海水淡化方案计算得到的淡化成本要比Javanmardi等人建立的水合物海水淡化流程图下计算的淡化成本低,但是相对薄膜反渗透法,总生产成本还是显得相对很高.     

水合物利用技术应用进展

过去的几十年中,对于水合物的研究不单单集中在抑制天然气水合物的生成上,基于水合物的生成利用技术也得到了广泛的研究。基于水合物的生成利用技术是环保和可持续的新技术,利用不同气体生成水合物相平衡条件的差异,可用于气体分离、置换开采。由于水合物具有较高的气体浓度,可用于气体的存储。利用水合物较高的化解潜热,可将其用于蓄冷。本文综述了国内外水合物技术的研究应用现状,分析了水合物技术在气体分离与存储、溶液浓缩分离、蓄冷、二氧化碳（CO₂）置换开采等领域有前景的研究方向。但是其水合反应速率慢、生成压力高、后期分离困难,极大地限制了水合物利用技术的工业应用。展望了水合物技术未来的研究发展方向,开发安全、高效和环保的水合物促进剂,开发高效水合物反应设备,开发连续水合物工艺,以便早日实现工业应用。     

气体水合物蓄冷技术研究进展

综述了国内外制冷剂气体水合物蓄冷技术的研究进展。概括描述了制冷剂气体水合物的相平衡热力学、结晶动力学研究，介绍了水合物蓄冷系统及蓄／释冷过程的研究成果：相平衡研究水合物形成的压力、温度条件；动力学研究水合物的生成，包括添加剂和外场等的作用；蓄冷过程研究系统运行可靠性及优化控制。最后简要展望了今后的主要研究方向。     

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。     

多孔介质中CO2-CH4水合物置换过程的强化方法研究进展

CO2置换天然气水合物中的CH4是一种非常有前途的天然气水合物开采方法,该法兼具能源安全开采和温室气体地层封存的双重优势。首先综述了多孔介质中CO2-CH4水合物置换的研究进展,分析了制约CO2置换法开采天然气水合物商业应用的关键瓶颈问题,即置换过程存在的反应周期长、速率慢和效率低等问题。针对此问题,主要详述了强化CO2-CH4水合物置换的强化方法研究进展,包括注入不同的CO2相态、小分子及混合气体的强化、结合传统开采法的联合强化以及其他强化方法的作用机理,讨论了各种强化方法尚待完善和改进的地方。最后提出了多孔介质中CO2-CH4水合物置换强化方法目前研究的不足和未来的研究方向。     

蓄冷空调及气体水合物蓄冷技术

从蓄冷空调的应用背景出发,简述了蓄冷空调技术的发展与现状,并在此基础上详细介绍了气体水合物蓄冷技术,从气体水合物蓄冷工质的选择、气体水合物结晶\熔解特性改善及气体水合物蓄冷装置设计3个方面对目前的研究现状进行了描述,最后提出了一些今后应该重点展开的研究方向     

水合物储氢的研究进展

氢作为一种清洁能源,越来越受到人们的重视,氢能利用技术的需求日益迫切。氢能的利用关键挑战在于氢气的储运,促进剂作用下氢气水合物可使氢气在相对温和的温压条件下安全、长期地储存,为储氢提供了一种选择。水合物储氢因其安全环保的特性具有巨大的工业化应用潜力,其目前工业化应用的两个关键问题即为储氢密度与储氢速率。本文首先回顾了氢气水合物的研究历程,阐述了几种常见氢气水合物的相平衡数据,然后归纳了不同晶型氢气水合物的储氢密度,最后总结了物理方法强化与化学方法强化对水合物储氢速率的影响,通过对近年来水合物储氢评估与总结,提出了当前水合物储氢存在的问题与未来研究方向,以期为水合物储气的工业化应用和氢气水合物的研究提供参考。     

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。     

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。     

多孔介质中CO2-CH4水合物置换的影响因素及强化机理研究进展

天然气水合物因其储量巨大、清洁无污染而成为未来最具潜力的清洁能源之一，CO₂置换法可实现天然气水合物的安全开采和温室气体的地层封存。然而，多孔介质中CO₂-CH₄水合物的置换过程存在反应周期长、速率慢、效率低等特点，已成为制约天然气水合物高效开采的瓶颈问题。本文全面综述了多孔介质体系中CO₂-CH₄水合物的置换特性，分析了CO₂-CH₄水合物的置换机理及其动力学过程。在此基础上，详述了不同因素对多孔介质中CO₂-CH₄水合物置换效率的影响规律及强化机理，包括热刺激、置换压力、小分子气体、化学添加剂等的作用机理及其规律。最后指出了多孔介质体系中CO₂-CH₄水合物置换过程强化技术存在的不足和未来的发展方向。对多孔介质体系中CO₂-CH₄水合物置换过程的强化机理及其动力学机制的认识仍需进一步研究。