天然气水合物抑制剂用高分子研究进展

海底天然气开采过程中,甲烷和水可以形成天然气水合物,阻塞油气管道。本文先简要介绍高分子化合物用于水合物抑制剂的发展过程,从抗冻抑制剂的结构与性能关系,探讨了高分子型的低剂量天然气水合物抑制剂的特性、作用机理和主要影响因素。近年来的研究发现在寒冷地区海洋鱼类和昆虫体内存在一些抗冻蛋白,不仅能够降低水的冰点,而且能抑制天然气水合物的形成,是绿色环保的天然抑制剂,模拟这些具有抗冻性能的蛋白质结构的高分子化合物为今后水合物抑制剂研究提供一个新的发展方向。本文还提出了今后值得开展研究和应用的若干问题。     

热力学抑制剂作用下甲烷水合物分解过程的分子动力学模拟

采用正则系综(NVT)分子动力学方法模拟研究277.0 K、11.45 mol·L-1的热力学抑制剂乙二醇(EG)溶液作用下甲烷水合物分解微观过程. 模拟显示甲烷水合物的分解从甲烷水合物固体表面开始, 逐渐向内部推移, 固态水合物在分解过程中逐渐缩小, 直至消失. 固态水合物的分解从晶格扭曲变形开始, 之后笼形框架结构破裂, 最后形成笼形结构碎片. 同时已经分解的甲烷水合物在外层形成水膜, 包裹里层正在分解的甲烷水合物, 增大里层甲烷水合物分解传质阻力.     

不同浓度聚乙烯醇对甲烷水合物分解作用的分子动力学模拟

采用分子动力学方法,模拟了273.15K下聚乙烯醇(PVA)对甲烷水合物的分解作用.研究发现,PVA浓度为2.7wt%时,水分子始终在其平衡位置附近波动,扩散系数仅为1.04×10-11m2/s;PVA浓度为5.2wt%时,水合物笼型结构坍塌,水分子以液态水的形式存在,甲烷分子从孔穴中逸出,聚乙烯醇的羟基在分子内部形成氢键,形成团簇,产生空间位阻,阻止了水分子再生成水合物,水分子的扩散系数1.61×10-9m2/s;PVA浓度为7.6wt%时,甲烷水合物周围有部分笼型结构被破坏,部分甲烷分子从孔穴中逸出,水分子扩散系数为3.55×10-10m2/s.得出聚乙烯醇对甲烷水合物的分解作用大小为:5.2wt%7.6wt%2.7wt%,为PVA溶液促进甲烷水合物分解实验研究提供参考.     

过氧化氢水溶液作用下甲烷水合物分解特性的分子动力学模拟研究

采用分子动力学模拟方法研究过氧化氢水(HP)溶液作用下结构I型(SI)甲烷水合物晶体分解特性. 系统分析甲烷水合物在过氧化氢水溶液作用下由晶态向液态转变过程的机理, 对比相同摩尔浓度乙二醇(EG)溶液作用下甲烷水合物分解变化规律, 得出HP与水合物热力学抑制剂EG一样对甲烷水合物分解具有促进作用, 为HP溶液促进甲烷水合物分解实验研究提供参考.     

天然气水合物分解热的确定

利用可视化高压流体测试系统研究了6个体系（甲烷、合成天然气、甲烷－环己烷、甲烷－环戊烷、甲烷－甲基环己烷（MCH）、合成天然气－甲基环己烷）水合物的形成条件，根据水合物相平衡数据应用Clausius-Clapeyron方程计算了Ⅰ型、Ⅱ型和H型水合物的分解热，结果表明水合物分解热与填充水合物晶格的气体分子直径有关。     

石英砂中甲烷水合物稳定条件研究

采用不同粒径(160～200目、200～300目、300～400目、400～600目)细颗粒石英砂模拟自然界中沉积物实验合成甲烷水合物, 采用多步升温分解法测定了甲烷水合物的稳定温度-压力(p～T)条件. 结果发现细颗粒石英砂对甲烷水合物的稳定条件有明显影响, 温度最大下降1.5 K. 其中160～200目的石英砂是实验测试条件下石英砂对甲烷水合物稳定条件有无影响的分界目数. 每一种石英砂在不同的温度压力下甲烷水合物p-T数据点较为离散, 并且不同石英砂中p-T数据曲线出现交叉, 这与文献中采用规则的硅胶、玻璃球等测得的结果有所不同. 文献中测定的甲烷水合物p-T数据点温度相对于纯水中甲烷水合物p-T数据点温度向左偏移量相同.     

南海神狐海域及祁连山冻土区天然气水合物的拉曼光谱特征

采用显微激光拉曼光谱对我国在南海神狐海域及祁连山冻土区首次钻获的天然气水合物实物样品进行了详细的研究, 探讨了其笼型结构特征及其气体组成. 结果表明, 南海神狐海域天然气水合物样品是典型的I型结构(sI)水合物, 气体组分主要是甲烷, 占99%以上; 水合物大笼的甲烷占有率大于99%, 小笼为86%, 水合指数为5.99. 祁连山冻土区天然气水合物气体组分相对复杂, 主要成分除甲烷外(70%左右), 还有相当数量的乙烷、丙烷及丁烷等烃类气体, 从拉曼谱图上可初步判断其为II型结构(sII)水合物; 水合物的小、大笼的甲烷占有率的比值(θ_S/θ_L)为26.38, 远远大于南海神弧海域水合物的0.87, 这主要是由于祁连山水合物气体组分中的大分子(乙烷、丙烷及丁烷等)优先占据水合物的大笼, 大大减少了大笼中甲烷分子的数量.     

硝酸钐水合物热分解过程的研究

Sm(NO_3)_3·6H_2O热分解过程的研究工作虽有文献报道,但结果不尽相同。文献[2]不同于文献[1,3],认为分解过程中存在无水盐阶段;文献[3]不同于文献[1,2],认为分解过程中存在低水合物。而且文献尚缺低水合物热分解机理的报道。我们也曾做过一些工作,但脱水阶段也不详尽。为此,我们详细地研究了Sm(NO_3)_3·nH_2O(n=     

多孔甲烷水合物样品导热系数的测定和模拟

天然气水合物是由水分子和气体分子在一定温压条件下形成的一种类冰状笼形化合物．天然气水合物主要存在于海底和大陆的永久冻土区和青藏高原等多年冻土区,是一种潜在的替代能源．在考虑对天然气水合物资源进行开采和考察地球温压变化对含水合物层的影响时,有必要掌握水合物的热物性和含水合物层的有效导热系数,但目前报道的水合物导热系数数据不一、差异很大．水合物是一种非化学计量的化合物,因此很难获得一个不含自由气、自由水的零孔隙率完美样品．利用多孔介质的理论模型对多孔水合物的导热系数进行预测是获得水合物本征导热系数的有效途径之一．我们在一个自行设计的实验台上使用HotDisk系统独特的单面测试技术,并利用瞬态平面热源法测定了含甲烷气的多孔甲烷水合物的有效导热系数,获得该样品的导热系数和温度以及所加压力的关系．为了研究含甲烷气的多孔甲烷水合物的有效导热系数与孔隙率的关系,我们利用自相似的Sierpinski地毯分形模型,先假设多孔介质体系由多孔介质和流体两部分组成,而多孔介质颗粒则由随机分布不相接触的颗粒和带有接触热阻的自相似分布颗粒组成,再通过一维热流假设和采用等价电阻网络（即通过电一热阻模拟分析得到系统的热导率）分别模拟了干砂（含空气）和多孔甲烷水合物样品（含自由甲烷气）导热系数与样品孔隙度的关系,推测了无孔隙水合物样品的导热系数．实验和模拟结果均显示样品的有效导热系数随着孔隙度的增大而降低,样品的有效导热系数在30％的孔隙度时降低了25％．通过分析实验结果和模拟结果发现,无孔隙甲烷水合物样品的导热系数约为0．7Wm^-1K^-1．     

甲烷水合物导热机理的分子动力学模拟

甲烷水合物导热系数是甲烷水合物勘探、开采、储运以及其他应用过程中一个十分重要的物理参数.我们采用平衡分子动力学（EMD）方法Green-Kubo理论计算温度203.15～263.15K、压力范围3～100MPa、晶穴占有率为0～1的sI甲烷水合物的导热系数,采用的水分子模型包括TIP4P、TIP4P-Ew、TIP4P-FQ、TIP4P/2005、TIP4P/Ice.研究了主客体分子、外界温压条件等对甲烷水合物导热性能的影响.研究结果显示甲烷水合物的低导热性能由主体分子构建的sI笼型结构决定,而客体分子进入笼型结构后,使得笼型结构导热性能增强,同时进入笼型结构的客体分子越多,甲烷水合物导热性能越强.研究结果还显示在高温区域（T〉TDebye/3）内不同温度作用下,所有sI水合物具有相似的导热规律.压力对导热系数有一定影响,尤其是在较高压力条件下,压力越高,导热系数越大.而在不同温度和不同压力作用过程中,密度的改变对导热系数的增大或减小几乎没有影响.     

稀土元素异硫氰酸盐低水合物的制备,性质及标准生成焓的测定

制备了11种低水合物RE(NCS)_3·mH_2O(RE=La,Ce,Pr,Nd时,m=4.5;RE=Sm,Eu,Gd,Dy,HO,Yb,Y时,m=3)。测得了它们的熔点,并对其X射线物相分析进行了研究。采用量热法,测定了除Y以外的10种低水合物的标准生成焓,求得了它们的晶格能,以及从高水合物至相应的低水合物的标准脱水焓。还对Tb,Er,Tm,Lu 4种RE(NCS)_3·mH_2O(m=3)的相应数据进行了估算。     

客体分子所处晶穴结构不同对甲烷水合物稳定性的影响

采用分子动力学方法模拟了SⅠ型甲烷水合物受热分解微观过程,并对水合物分解过程中不同晶穴结构内客体分子对甲烷水合物稳定性的作用进行了研究.通过最终构象、均方位移和势能等性质的变化规律对分别缺失大晶穴和小晶穴中客体分子的2种水合物体系随模拟温度升高稳定性的变化进行了分析.模拟结果显示,随温度的上升,水合物稳定性逐渐下降直至彻底分解;而水合物分解速度与2种晶穴各自部分晶穴占有率相关,不能简单的通过整体晶穴占有率表示.对比相同注热过程中2种水合物体系分解状况,发现位于大晶穴内的客体分子对水合物稳定性影响更大,缺失大晶穴内客体分子的水合物更容易随温度升高而分解.     

甲烷水合物膜生长动力学研究

采用水中悬浮气泡法测定了温度为273.4～279.4 K、压力为3.60～11.90 MPa范围内甲烷微小气泡表面水合物膜生长动力学数据. 应用无因次Gibbs自由能差(－ΔG^exp/RT)作为推动力, 提出了具物理意义的水合物膜生长动力学模型, 并回归得到甲烷水合物膜生长动力学反应级数为1.60, 表观活化能为55.95 kJ•mol^－1, 指前因子为1.65×10¹¹ mm²•s^－1. 同时考察了温度和压力对甲烷水合物膜生长速率的影响.     

含低剂量抑制剂体系气体水合物生成动力学

水合物管道堵塞是油气工业安全生产的重要问题之一, 目前低剂量抑制剂以其经济性、环境友好性等优点, 逐步取代传统抑制剂. 文中在8.5 MPa、4 ℃条件下, 1.072 L反应釜内, 采用甲烷、乙烷和丙烷混和气, 研究了含低剂量抑制剂聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和GHI1的水合物生成体系反应过程, 计算分析了压缩因子和自由气量随反应时间的变化, 对比了在相同反应程度下添加PVP和GHI1后水合物含气量的区别, 探讨了GHI1组合抑制剂的抑制机理. 实验结果表明PVP和GHI1能抑制水合物生长, 不能有效抑制水合物成核; 添加PVP的体系, 在实验气体组成下, 甲烷乙烷进入水合物小晶穴, 并且甲烷优先进入小晶穴; GHI1对丙烷乙烷的抑制能力强于甲烷; 对比GHI1和PVP的反应过程, 认为协同剂二乙二醇丁醚的羟基和醚类结构加强反应体系中的氢键, 和PVP结合使用, 通过氢键和空阻达到抑制效果.     

聚乙烯唑啉作用下甲烷水合物分解的分子动力学模拟

利用分子动力学模拟系统研究了不同质量浓度下(1.25%、2.50%、6.06%)聚乙烯唑啉(PEtO)对甲烷水合物的分解作用. 模拟体系为甲烷水合物2′2′2的超胞和聚合物对接体系. 模拟发现水分子间氢键构架的水合物笼型结构在PEtO的作用下出现扭曲, 最终导致水合物笼型结构完全坍塌. 通过氧原子径向分布函数、均方位移以及扩散系数比较不同浓度PEtO的作用, 证实在一定浓度范围内, PEtO的浓度越高, 其水合物分解作用越强. 此外, PEtO 具有一定的可生物降解性. PEtO 对水合物的作用为: PEtO 吸附在水合物表面, 其中的酰胺基(N―C＝O)与成笼的水分子形成氢键, 破坏邻近的笼形结构, 令水合物分解; PEtO不断分解表面的水合物, 直到水合物笼完全分解.     

多孔介质中气体水合物降压分解的分形理论研究

通过将水合物的分解过程看作是无固态产物层生成的气固反应过程, 结合粒径缩小的收缩核反应模型和分形理论, 建立了多孔介质中水合物降压分解的分数维动力学模型, 提出了基于水合物分解实验数据计算多孔介质分形维数的方法. 分别利用前人的甲烷水合物和CO2水合物降压分解实验数据, 对上述分数维动力学模型进行了验证. 计算结果表明, 用提出的方法所计算得到的多孔介质分形维数与前人的测定结果基本符合; 对甲烷水合物和CO2水合物的降压分解过程, 提出的分数维动力学分解模型得出了和实验结果基本一致的预测, 绝对平均误差(AAD)小于10%.     

甲烷水合物在静态体系中生成反应的促进

静态体系生成甲烷水合物是个缓慢的、不完全的过程。即使使用表面活性剂也不能实现反应物的100％转化。本文讨论了在静态反应停止后,使用系统温度振荡的方法来促进水合反应的继续进行,直至完全转化。在系统温度从-10～4℃之间周期振荡时,原本停滞的水合反应在水的相变温度附近又开始发生反应,由于水合物合成时铠甲效应的存在,水在样品中的过冷度达到10℃左右。文中对样品的热物性测试表明,在经过几个温度变化周期后,反应非常完全,反应器中样品是100％的甲烷水合物。     

基于PC-SAFT方程研究多孔介质中水合物相平衡的预测模型

对多孔介质中水合物的形成条件预测模型进行了研究.利用微扰链-统计缔合流体理论状态方程(PC-SAFT)结合van der Waals-Platteuw模型和毛细管Kelvin模型,建立了用于多孔介质水合物体系的相平衡预测模型.在此模型基础上,针对甲烷水合物和CO2水合物对界面张力作了进一步的研究.根据多孔介质水合物相平...     

甲烷水合物分解及自保护效应的分子动力学模拟

采用分子动力学(MD)方法, 在温度T = 240, 260, 280和300 K的条件下模拟了Ⅰ型甲烷水合物晶体的分解过程. 研究发现,水合物分解后将在相界面上形成一层“准液膜”,准液膜中水分子的结构性质、空间取向和动力学性质均出现由“似晶”到“似液”的渐变过程. 在水合物分解过程中, 准液膜的存在对水分子和甲烷分子的扩散形成传质阻力. 由于甲烷分子必须穿过准液膜才能进入气相, 准液膜的传质阻力抑制了甲烷分子向气相的扩散过程, 致使水合物的分解速率随之降低, 从而产生自保护效应. 当温度低于水的冰点时, 准液膜中水分子的“似晶”程度较高, 准液膜的传质阻力较大, 自保护效应较明显. 当温度高于水的冰点时, 准液膜中水分子的“似液”程度较高, 准液膜的传质阻力显著下降, 水合物的自保护效应明显减弱.     

二维气相色谱法分析天然气水合物区沉积物间隙水中示踪气体的浓度

利用微流路控制技术中心切割装置(Deans Switch)、两根色谱柱(PoraPLOT Q和Molsieve 5A)和3个检测器(脉冲氦离子化检测器、火焰光度检测器、热导检测器),建立了一种二维气相色谱分析系统,实现了海洋中多种示踪气体组分(氢气、甲烷、二氧化碳、硫化氢)的同时分析和精确测定。氢气、甲烷、二氧化碳、硫化氢的含量分别在2～1030、0.6～501、120～10500和0.2～49.1 μmol/mol范围内的校正曲线线性关系良好,检出限分别为0.51、0.17、82和0.08 μmol/mol,10次重复测定含量的相对标准偏差均小于10%。通过对南海天然气水合物区沉积物间隙水顶空气的测定,表明该方法方便、灵敏、可靠,易于实现海上现场测定;与以往采用多种分析方法分别测定示踪气体相比,大大节省了样品量。该方法适用于海洋天然气水合物、海底热液等资源的调查和海洋溶解态气体的研究等。