天然烟浸滤液水合物法储甲烷动力学研究

水合物法储存天然气被公认为是一种极具潜力的高效储气技术。如何加速水合物生成,又能保证水合促进材料绿色环保,是水合固气技术实用化的关键。本文利用天然烟丝和烟末浸泡滤液在8.0 MPa和274.2 K的实验条件下进行静态水合储甲烷实验,研究甲烷水合物在烟滤液中的生成动力学特性。实验结果表明,水-烟质量比(液固比)为5～100的滤液与表面活性剂溶液性质相似,其表面张力比纯水下降36.7%～47.5%,甲烷水合物在该天然活性溶液中能快速生成。烟丝滤液中活性物含量明显低于烟末滤液,低液固比时,烟丝溶液有更高的水合储气量和储气速率;高液固比时,烟末滤液则表现出更优的水合储气性能,尤其在液固比为50时,烟末滤液中水合物储气量高达118.5 mmol·mol^-1,储气速率达2.98 mmol·mol^-1·min^-1。     

外部剪切对天然气水合物生成影响的实验研究

未来对于天然气的运输、调峰以及储存等领域,天然气水合物都会起到重要的作用,天然气水合物应用技术的关键在于天然气水合物的快速及大量生成。因此,对天然气水合物生成过程做进一步研究很有必要。目前,人们主要研究了温差、压力扰动、降温速度等因素对水合物生成过程的影响作用,但基于剪切作用对水合物生成的研究还不够深入。因此,实验研究了在含动力学抑制(PVPK90)的条件下,有无剪切作用对CH4水合物生成量的影响。结果表明:剪切作用会增加天然气与水分子的碰撞几率,促进水合物晶核的生成和成长,但同时会阻碍水合物晶核微粒的聚结作用。一定体积的溶液下,形成的水合物晶核微粒数量受到限制。在剪切作用被消除后,内壁上会聚结并附着大量水合物晶核,并为新的水合物晶核形成提供空间。因此,使甲烷水合物晶核的形成过程与聚结过程在两个连通的容器中同时进行,则水合物的形成过程不会被阻止。更换水合物晶核聚结的容器,则工业上能够大量生成用于储存运输天然气的水合物。     

甲烷水合物生成分解的实验研究

海底存在着大量可燃冰,1 m3可燃冰能够储存160 m3的天然气。因此,可燃冰的开采与利用可燃冰储存与运输天然气具有重要意义。在改变搅拌、过冷度及低浓度动力学抑制剂的条件下,对甲烷水合物生成量与生成速率进行了实验研究。将甲烷水合物进行升温分解,分析水合物分解时的压力变化情况。结果表明:搅拌对甲烷水合物生成的促进效果最好,其次是过冷度,最后是超低浓度动力学抑制剂;水合物生成的传质过程最终被阻碍,采取将水与天然气的上下位置交换的方法,可以生成更多水合物。水合物升温可以得到相平衡曲线;改变初始时刻压力,可以得到不同温度区间的相平衡曲线;降低水合物分解时的升温速度,可以得到更长温度区间的相平衡曲线。     

泡沫铜强化甲烷水合物生成动力学实验研究

提高水合物生成速率和储气密度对天然气水合物技术应用非常重要。将三种孔密度的泡沫铜（CF）分别浸入十二烷基硫酸钠（SDS）溶液中构建水合储气强化体系,在高压静态反应釜中研究泡沫金属对甲烷水合物生成动力学特性。实验结果表明,泡沫铜骨架能为水合物生成提供充足的结晶点,同时可作为水合物生长过程水合热迁移的“高速公路”。甲烷水合物在SDS/CF体系中可快速生成,最大水合储气速率分布在19.24~21.04 mmol·mol^-1·min^-1之间,其中添加15 PPI泡沫铜的SDS溶液储气量最高（139 mmol·mol^-1）,且达到最大储气量90%所用时间最短（10.1 min）。在6.0~8.0 MPa压力下,相比SDS溶液,添加15 PPI泡沫铜的SDS溶液储气量提高了8.8%~35.6%,储气速率提高了4.7%~40.4%;特别在压力为5.0 MPa时,该孔密度SDS/CF体系储气量甚至比SDS溶液增加13倍,储气速率增加16倍。     

低剂量超吸水树脂溶液微滴中甲烷水合物生成动力学

高储气密度水合物的快速生成对气体水合物技术应用至关重要。将水与疏水性气相纳米二氧化硅和低剂量［0.1%~1.0%（质量）］的超吸水树脂在搅拌器中高速混合分散,制备出一种超吸水树脂改性的干水。该改性干水实质上是由高分子聚合物支撑且可自由流动的分散微滴堆。在8.0 MPa和274.2 K条件下,研究该改性微滴中甲烷水合物生成动力学特性。结果表明,松散的聚合物微滴极大地改善了液相连续水比表面积,为气体扩散至微滴表面提供了丰富的通道。水合物在聚合物微滴中快速生成,储气速率可达5.15~8.78 cm³·g^-1·min^-1,储气量高达158.0~175.0 cm³·g^-1。质量分数为0.3%的微滴表现出最快储存速率和最高储气量,且其循环水合储气过程中前6次储气量均超过120 cm³·g^-1。研究结果对水合物储运天然气技术规模化应用有一定的参考价值。     

低剂量超吸水树脂溶液微滴中甲烷水合物生成动力学

高储气密度水合物的快速生成对气体水合物技术应用至关重要。将水与疏水性气相纳米二氧化硅和低剂量［0.1%~1.0%（质量）］的超吸水树脂在搅拌器中高速混合分散,制备出一种超吸水树脂改性的干水。该改性干水实质上是由高分子聚合物支撑且可自由流动的分散微滴堆。在8.0 MPa和274.2 K条件下,研究该改性微滴中甲烷水合物生成动力学特性。结果表明,松散的聚合物微滴极大地改善了液相连续水比表面积,为气体扩散至微滴表面提供了丰富的通道。水合物在聚合物微滴中快速生成,储气速率可达5.15~8.78 cm³·g^-1·min^-1,储气量高达158.0~175.0 cm³·g^-1。质量分数为0.3%的微滴表现出最快储存速率和最高储气量,且其循环水合储气过程中前6次储气量均超过120 cm³·g^-1。研究结果对水合物储运天然气技术规模化应用有一定的参考价值。     

气水体系甲烷水合物生成和分解动力学

为进一步探明搅拌对甲烷水合物生成和分解动力学特性的影响,借助容积约为522mL,最高操作压力21MPa的高压全透明反应釜装置,开展了不同搅拌条件下甲烷水合物的生成、分解和浆液流动实验,得到了搅拌对水合物生成量、生长速率和分解速率的影响规律,基于搅拌电机扭矩值分析了不同搅拌速率下水合物浆液的流动特性。搅拌电机型号ViscoPakt Rheo-57,带有扭矩测量功能,测量最大范围57N·cm,精度±0.04N·cm。结果表明：在水合物开始快速生成的前期,水合物的最大生成量、最大生长速率及平稳生长速率都随搅拌速率的增大而增大,进一步验证了传质是控制水合物生成过程的首要因素;在水合物分解阶段,搅拌能提高水合物颗粒的分散性,促进分解气的运移产出;此外,不同搅拌速率下,水合物浆液的电机扭矩随着水合物体积分数的增大都呈现先保持平稳再逐渐增大最后剧烈波动的规律,由此得到了水合物浆液携带固相颗粒的临界体积分数。研究结论在一定程度上揭示了水合物的生长和分解机理,为动力学预测模型研究提供了参考。     

气液比对表面活性剂复配促进甲烷水合物生成影响

气液比作为影响天然气水合物快速、大量生成的关键因素,有必要对其深入研究。利用天然气水合物装置,设定初始压力为6 MPa,温度为275.15 K,研究了十二烷基硫酸钠(SDS)与烷基多糖苷(APG1214)复配溶液体系在不同气液比条件下对天然气水合物生成影响。结果表明,合理的选取气液比能增强水合物的储气能力以及生成速率,4.00为其最佳气液比,最终储气密度可达到110.2(V/V),实验初始气液比的大小会影响水合物的生成过程,增加气液比能增加水合物的生成速率。因此,合理地将表面活性剂复配以及选取气液比,可显著提高水合物生成速率与储气能力。     

L-色氨酸+四氢呋喃体系下水合物法分离煤层气研究

L-色氨酸是一种新型水合物动力学促进剂。为了研究L-色氨酸与热力学促进剂四氢呋喃(THF)两者协同作用下对水合物法分离煤层气中甲烷的影响,在温度为274.15 K、初始压力为10 MPa的封闭反应条件下,通过实验研究L-色氨酸+四氢呋喃(摩尔分数5.56%)复合溶液体系下摩尔分数30%CH₄/70%N₂混合气体水合物的生成过程,确定了在L-色氨酸协同作用下水合物的生成时间、气体消耗量、甲烷分离率。实验结果表明：色氨酸质量分数为300×10^-6时,对水合物生成的促进作用最为明显,可缩短水合物的生成时间,但对降低相平衡压力没有明显效果。当质量分数增加到1 000×10^-6时,对水合物的生成表现为明显的抑制作用。相比单一的THF体系,加入色氨酸之后的组合体系进一步增加了水合物的生成量,并明显降低了反应时间,具有良好的应用前景。     

甲烷水合物生成和分解的实验研究

利用水合物法实现对天然气的工业储运,需要提高水合物的储气量并解决水合物的分解速度问题。为此,文章研究了在十二烷基硫酸钠(SDS)体系中,甲烷水合物的储气量和在冰点以下的常压分解规律。研究发现,SDS浓度为650 mg/L时甲烷水合物储气量达到最高值,约为170 V/V。分解温度为268.2~272.2 K区域内,甲烷水合物的分解速率随温度的降低而降低;在268.2 K时,甲烷水合物分解速率最低。     

甲烷与冰快速形成天然气水合物的影响因素研究

设计了冰-气生成天然气水合物的实验装置,对由冰和甲烷反应生成天然气水合物的影响因素进行实验研究。结果表明,压力越高,温度越低,冰粒越小,越有利于水合物的生成,促进水合物快速形成的搅拌速度和促进剂浓度最佳值分别是800 r/min和800 mg/L。     

高含水油包水乳液的水合物储气性能研究

油包水乳液是近年来新兴的一种水合强化材料,具有良好的水合储气潜力,但是为了保证乳液的稳定性,通常所用的油包水乳液含水量不超过50%。然而水合物的储气量与水含量密切相关,因此高含水的油包水乳液更具有应用前景。对含水量超过50%的油包水乳液进行了水合物的储甲烷研究,考察了乳化剂用量、初始压力及搅拌速率对储气性能的影响,最后考察了乳液的循环储气能力。结果表明：含水量超过55%后,含水量的增加会造成乳液液滴的增大,储气量的降低。乳液含水量为55%,复合乳化剂Span80 / Tween80（m_Tween80∶m_Span80=0.783∶1）用量5%（质量）（以水量为基准）的乳液最适合水合储气;初始压力的增加有利于水合储气性能的提高,但压力过高会造成水合物壳的快速形成,从而降低整体储气能力;适宜的搅拌速率有利于水合物的生成,过快或过慢都会引起水合速率的下降。本实验中最佳的乳液水合储气条件为：温度274.15 K、反应釜中气水体积比10∶1、甲烷初始压力6 MPa、搅拌速率700 r/min,在此条件下,储气量可达141.42 L 气/L 水。在此条件下进行循环储气实验证明该乳液具有良好的循环利用性,四次循环中储气量均在130 L 气/L 水以上。研究结果可为天然气储运以及含烃混合气分离提供技术参考。     

表面活性剂吸附对促进甲烷水合物生成效果的影响

基于表面活性剂固-液界面吸附理论,在无搅拌条件下研究了十二烷基硫酸钠（SDS（、脂肪醇聚乙烯醚硫酸钠（AES（、脂肪醇聚乙烯醚（AEO（3种表面活性剂在不锈钢反应釜中对甲烷水合物生成的促进效果。结果表明：水合物的生成形态与表面活性剂吸附金属表面形态有良好的对应关系;SDS与AES在金属表面的吸附作用可使水合物成核速率提高,成核位置增多。由于AEO不能在金属壁面发生吸附,导致对水合物生成促进效果降低,在浓度为300 mg·L^-1的SDS、AES和AEO溶液中,水合物储气密度及平均储气速率分别为131.4、128.3、12.3（体积比（和5.8、7.6、0.07 mmol·min^-1;逐步提高SDS溶液浓度（80~1200 mg·L^-1（和AES溶液浓度（60~1350 mg·L^-1（,水合物储气密度首先增大然后减小,储气速率线性增大。因此,合理选择表面活性剂种类及浓度,可显著促进水合物生成。     

Evaluation on the natural gas hydrate formation process

Gas hydrates have endowed with great potential in gas storage, and rapid formation of gas hydrates is critical to use this novel technology. This work evaluated the natural gas hydrate formation process, which was compared from six parameters, including conversion of water to hydrate, storage capacity, the rate of hydrate formation, space velocity (SV) of hydrate reaction, energy consumption and hydrate removal. The literature was selected by analyzing and comparing these six parameters mentioned above, meanwhile placing emphasis on the three parameters of storage capacity, the rate of hydrate formation and space velocity of hydrate reaction. Through analysis and comparison, four conclusions could be obtained as follows. Firstly, the overall performance of the stirring process and the spraying process were better than other processes after analyzing the six parameters. Secondly, the additive types, the reactor structure and the reactor size had influence on the natural gas hydrate formation process. Thirdly, the energy consumption via reciprocating impact in the hydrate formation process was higher than that via stirring, spraying and static higee. Finally, it was one key for hydrate removal to realize the hydrate industrial production.     

Accelerated methane storage in clathrate hydrates using surfactantstabilized suspension with graphite nanoparticles

In this study, enhanced kinetics of methane hydrate formation in the sodium dodecyl sulfate(SDS) solution with different concentrations of suspended graphite nanoparticles(GNPs) were investigated at 6.1–9.0 MPa and 274.15 K. The GNPs with rough surfaces and excellent thermal conductivity not only provided a considerable number of microsites for hydrate nucleation but also facilitated the fast hydrate heat transfer in the suspension system. At a relatively low pressure of 6.1 MPa, the suspension with 0.4 wt% of GNPs exhibited the minimum induction time of 22 min and maximum methane uptake of 126.1 cm~3·cm~(-3). However, the methane storage performances of the suspensions with higher and lower concentrations of GNPs were not satisfactory. At the applied pressure, the temperature increase arising from the hydrate heat in the suspension system with the optimized concentration(0.4 wt%) of GNPs was more significant than that in the traditional SDS solution. Furthermore,compared with those of the system without GNPs, enhanced hydration rate and storage capacity were achieved in the suspensions with GNPs, and the storage capacities were increased by 3.9%–17.0%. The promotion effect of GNPs on gas hydrate formation at low pressure is much more obvious than that at high pressure.     

A型分子筛对甲烷水合物生成的影响

The porous medium has an important effect on hydrate formation. In this paper, the formation process and the gas storage capacity of the methane hydrate were investigated with A-type zeolite and Sodium Dodecyl Sulfate (SDS) existing in the system. The results show that A-type zeolite can influence methane hydrate formation. At the temperature of 273.5 K and pressure of 8.3 MPa, the distilled water with A-type zeolite can form methane hydrate with gaseous methane in 12 hours. The formation process of the system with A-type zeolite was quite steady and the amount of A-type zeolite can influence the gas storage capacity significantly. The adding of A-type zeolite with 0.067 g•(g water)－1 into 2×10－3 g•g－1 SDS-water solution can increase the gas storage capacity, and the maxi-mum increase rate was 31%. Simultaneously the promotion effect on hydrate formation of 3A-type zeolite is much more obvious than that of 5A-type zeolite when the water adding amounts are 0.033 g•g－1 and 0.067 g•g－1 at the experimental conditions.     

Study on methane hydrate formation using ultrasonic waves

Methane hydrate is a kind of gas hydrate and has the crystal structure I. 1 m³ of methane hydrate can be decomposed to a maximum of 172 m³ of methane gas in standard conditions. If this characteristic of methane hydrate is reversely utilized, natural gas, which mainly consists of methane gas, is fixed into water in the form of hydrate solid. However, when methane hydrate is formed artificially by simply reversing its process of natural generation, the amount of methane gas consumed owing to hydrate formation is fairly low, which would be problematic for its massive synthesis and application. In this study, experiments are carried out with the goal of increasing the amount of gas consumed by using ultrasonic waves. The power for maximum gas consumption was observed at 150 W, and the amount of gas consumed was four times higher than that at 0 W at the subcooling temperature of 0.5 K. The ultrasonic waves are more effective at the subcooling temperature of 5.7 K than at the subcooling temperature of 0.5 K, and are another effective method for enhancing methane hydrate formation and reducing the hydrate formation time.     

Dual Effect of Low‐Dosage Poly(Ethylene Oxides) on Methane Hydrate Formation

Time‐dependent isochoric formation of methane hydrate was investigated in the presence of low‐dose poly(ethylene oxides) (PEOs). The effect of different molecular weights of PEO on methane hydrate nucleation time and storage capacity was studied and compared. Kinetic measurements revealed a dual effect of PEO, including inhibition and stabilization effects, on methane hydrate formation. The nature and type of the effect arises from the difference in molecular weights and concentration ranges of PEOs. These parameters directly affect the nucleation time and storage capacity of methane hydrate. Generally, in comparison with pure water, PEO improved the storage capacity of methane hydrate. PEO (1000 kD) at a concentration of 0.5 wt % exhibits a significant kinetic inhibitory performance. However, it was an efficient low‐dosage hydrate stabilizer at a concentration of 0.25 wt %, along with producing gas‐rich methane hydrate suitable for gas fuel storage and transportation.