鼓泡法强化甲烷水合物成核及生长研究

水合物在相变蓄冷等领域具有广泛的应用前景,而降低水合物成核诱导期、提升水合物生长速率是影响水合物蓄冷技术发展的关键因素。开发了一套可视化水合物原位生成实验系统,通过反应釜底部气泡板持续产生气泡强化水合物成核生长,重点对鼓泡法下水合物诱导期和生长速率进行了研究。实验结果表明,气泡表面形成壳状水合物并不断堆积。鼓泡法显著地降低了甲烷水合物诱导期,在SDS体系下,鼓泡法对诱导期的缩减最高达到93.6%。同时,鼓泡法对后续水合物的生长也具有显著促进效果,使水合物生长速率提高15.1～37.5%。在纯水体系中,鼓泡法提高了甲烷气体的转化率,最高提高了14.57倍。同时实验呈现温度越低,气体转化率和水合物生长速率越大的规律。     

表面活性剂对水合物生长过程的定量影响

为了揭示表面活性剂对气体水合物生长过程的定量影响,实验研究了十二烷基苯磺酸钠(SDBS)对R141b水合物的生长过程的影响,分析了SDBS对R141b水合反应物界面张力的影响,研究结果表明:R141b水合物生成条件下SDBS的临界胶束浓度约为400mg/kg,1.0℃400mg/kg SDBS溶液中R141b水合物的平均引导时间为3 min,水合率约为每分钟1.7%。     

微乳液中R141b水合物快速生成实验研究

制冷剂水合物作为一种理想的蓄冷工质受到广泛关注,但烃类制冷剂与水不互溶造成水合反应诱导时间长、过冷度大。为增大制冷剂与水的相容性,本研究筛选出T20(吐温20)/SPC(大豆卵磷脂)复配表面活性剂,使大量R141b溶于水相,形成热力学稳定的微乳液,考察了微乳液体系中T20浓度、R141b含量、温度等对水合物生成诱导时间的影响,在该体系中均匀快速生成了大量R141b水合物晶体颗粒,诱导时间显著缩短,得到了致密的水合物浆体,提高了蓄冷密度。     

甲烷水合物成核过程的实验研究进展(特邀)

甲烷水合物(可燃冰)作为一种储量巨大、分布广泛的清洁能源而备受关注。围绕甲烷水合物的开采、以固态水合物形式储运天然气和氢气等问题开展基础科学研究,具有重要的科学意义和应用价值。成核过程是甲烷水合物形成的关键第一步,由甲烷、水分子形成团簇并逐渐演化形成水合物的微观过程。然而,由于缺乏在高压环境下研究成核微观过程的有效实验方法,针对成核过程的实验研究进展缓慢。本文首先对气体水合物的结构及其性质进行了回顾;然后,以水合物演化的分子动力学模拟为基础,梳理现有关于水合物演化路径的初步认知;最后,以超快非线性光谱学方法为主,讨论了水合物实验研究的进展和展望。     

H型水合物生成过程的实验研究

在恒容条件下,根据水合物的相平衡条件设置4、6、8 K三个不同的过冷度,分析了不同的过冷度对含大客体分子和甲烷体系的H型水合物生成过程的影响,并与纯甲烷水合物的生成过程进行比较,包括诱导时间、生成速率、气体消耗量。本实验所采用的四种大客体分子分别是:环庚烷、环庚酮、环辛烷、甲基环己烷。实验结果表明,过冷度越大,水合物生成的诱导时间越短;环庚酮H型水合物的反应速率最快,且储气效果最佳。     

碳化铝与水反应合成甲烷水合物的实验研究

 利用自行设计的高压气水合物实验装置,通过碳化铝与水反应成功合成了甲烷水合物。实验结果表明,碳化铝与水反应合成甲烷水合物的方法有效地解决了传统甲烷水合物模拟实验中甲烷气体引入问题;同时,碳化铝与水反应产生的甲烷及沉淀物能较好地模拟海洋环境中水合物形成的自然条件,为实验模拟甲烷水合物研究提供了一种新方法。利用此方法,对甲烷水合物合成与分解温度、压力条件及动力学过程进行了初步研究。     

NMR研究甲烷水合物在中孔SBA-15内的生成

利用自行研制的高压釜和原位高压核磁共振研究了甲烷水合物在具有孔径均一的中孔SBA-15中的形成过程. 结果发现在静止的状态下,甲烷在中孔SBA-15内与水也能生成甲烷水合物,但其形成所需要的诱导时间比在纯水的条件下要短,SBA-15可促进甲烷水合物的形成;原位高压¹H和¹³C NMR研究表明即使甲烷过量,在一定压力下,SBA-15孔道内的水也不能完全形成甲烷水合物.     

Span80促进甲烷水合物生成动力学研究

促进水合物快速生成是天然气水合物技术产业化的关键,表面活性剂作为水合物生成的促进剂,对其动力学促进作用进行研究十分必要.本文在已有的天然气水合物储气实验台上,利用高压反应釜,在温度为(274.15±0.10)K,压力为(8.30±0.10)MPa条件下研究了非离子表面活性剂失水山梨醇单油酸酯(Span 80)存在下的甲...     

CH_4-CO_2混合气体水合物在NaCl溶液中生成过程

本实验着重研究了纯水、质量分数为3.4%和5.0%的NaCl溶液中,甲烷-二氧化碳混合气体水合物的生长速率以及气体在水合物相中分布规律。研究结果表明水合物生成过程中对甲烷和二氧化碳的吸收存在一定的选择性。二氧化碳在水合物晶核生长初期更容易被捕获,表明二氧化碳更易于占据水合物中大笼,同时有利于稳定水合物的晶体结构。NaCl的存在提高了水合物三相平衡压力,降低了水合物的气体消耗总量。随着溶液中初始盐浓度的提高,水合物生长初期对二氧化碳的选择性吸收得到了强化。表明溶液中NaCl浓度的上升提高了水合物晶核的不稳定性同时抑制了晶核生成。因此,NaCl对水合物的生长过程具有一定的抑制作用。     

用分子动力学模拟甲烷水合物热激法结合化学试剂法分解

用分子动力学模拟方法研究甲烷水合物的热激法，化学试剂法，以及热激法结合化学试剂法分解，系统研究温度为277K和340K时添加液态水(WTR)和30wt％乙二醇(EG)溶液对水合物分解的影响.模拟显示WTR与水合物表面水分子形成氢键，破坏水合物原有的氢键平衡，造成笼状结构坍塌，水合物分解.EG分子中的羟基与水合物表面水分子形成氢键，从而破坏原有的稳定结构，造成水合物笼状结构被破坏，达到促进水合物分解，释放甲烷气体的效果.比较温度为277K和340K时添加WTR和30wt％EG溶液对水合物分解效果得出EG(340K)> WTR(340K)>EG(277K)>WTR(277K)，热激法结合化学试剂法能更好促进水合物分解.     

显微激光拉曼光谱原位观测甲烷水合物生成与分解的微观过程

采用显微激光拉曼光谱技术对高压透明毛细管中甲烷水合物的生成与分解的微观过程进行了原位观测,初步探讨了甲烷水合物笼型结构的变化规律.结果表明,甲烷水合物在生成过程中,甲烷分子的拉曼峰(2 917 cm-1)逐渐分裂为两个峰(2 905和2 915 cm-1),表明溶解态甲烷分子从单一的化学环境进入了两个有差异的化学环境中...     

CH4水合物在SDS和CTAB溶液中的生成特性研究

为探究不同促进剂在甲烷水合物生成过程的微观作用机理,选取动力学促进剂十二烷基硫酸钠(SDS)和热力学促进剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)作为添加剂,采用分子动力学方法研究其对甲烷水合物生成速率的影响.通过分析势能变化、均方位移、径向分布函数、分子簇生长速率,发现质量分数为0.9%SDS、1.2%SDS、1.2%CTAB、1.6%CTAB的溶液均可促进水合物生成.质量分数为1.2%的SDS溶液水合物生长速率最快,且SDS促进效果优于CTAB.通过分析甲烷分子密度分布云图,发现呈阴性的SDS分子头部基团吸附了大量甲烷分子,水分子受挤压向中间聚集;CTAB含氮的头部基团朝向均相溶液,包含在不稳定的水合物笼中,形成半笼型水合物.相比之下,CTAB溶液中水合物含气率更高.     

Methane combustion in hydrate systems: Water-methane and water-methane-isopropanol

Kinetics of dissociation of synthetic and natural methane gas hydrates, and also double isopropanol-methane hydrate is investigated. Thermal fields of the sample surfaces are measured by means of thermal imaging in combustion of released methane with clathrate dissociation. The dissociation rates of natural hydrate and double hydrate with isopropanol are many times lower than those of synthetic methane hydrate. Methane combustion is accompanied by formation of a thin water film on the powder surface, which has a strong effect on the heat and mass transfer mechanisms. The experiments demonstrated partial self-preservation for methane hydrate and the absence of self-preservation for double isopropanol-methane hydrate. The experimentally observed dissociation rate of double isopropanol-methane hydrate is considerably lower than that of methane hydrate.     

天然流体包裹体中甲烷水合物生成条件原位变温拉曼光谱研究

准确获取流体包裹体中气体水合物的生成条件一直是传统包裹体分析方法面临的一个难题。文章采用原位拉曼光谱技术分析了天然流体包裹体中甲烷水合物的生成条件。并由常温拉曼光谱分析表明,研究流体包裹体的流体组成为CH4-H2O体系。通过三种方法控制实验温度的变化,在第三种方法实验条件下获得了-170 ℃时甲烷水合物与冰的拉曼光谱,逐渐升温原位观测甲烷水合物的消失温度。原位拉曼光谱检测结果表明,研究包裹体中甲烷水合物的生成温度为7.5 ℃。结合CH4-H2O体系水合物形成条件相平衡计算,得到包裹体中甲烷水合物生成时的压力为5.587 3 MPa。研究结果表明,原位拉曼光谱技术是准确获取流体包裹体种气体水合物生成条件的一种有效方法。     

Theoretical investigation of the possibility of using multicomponent (N2-O2-CH4-Y2O) clathrate hydrates for methane recovery from mine gas

Phase equilibria in a multicomponent ice-gas mixture-hydrate system are investigated for a mixture of nitrogen, oxygen, and methane, depending on the gas phase composition, pressure, and temperature. Equilibrium compositions of the formed hydrates are found, depending on the gas mixture composition. Calculations show that with increasing concentration ofmethane in gas phase the pressure of hydrate formation gradually decreases. It is shown that this pressure at considerable methane concentrations approximately corresponds to partial pressure of methane in the gas phase. Conditions of hydrate formation are calculated in the range of temperatures from 258 to 273 K, at pressures from 1 to 350 atm. The obtained results are in agreement with the known experimental data for hydrates of pure gases-nitrogen, oxygen, and methane.     

Formation and dissociation of gas hydrate inclusions during migration in water

The paper studies the process of floating a gas hydrate particle in liquid. The typical depths when gas bubble floating is accompanied by gas hydrate formation (or with zero gain of hydrate) were calculated. The low depths were identified when floating occurs with hydrate dissociation. The model assumes that the gas hydrate formation is limited by heat transfer from interface to the surrounding liquid. The model for gas hydrate dissociation assumes the rate governed by thermal conductivity of hydrate particle and by convective heat transfer to surrounding water. The temperature of the gas hydrate surface equals the phase transition temperature at the given water pressure. Comparative analysis of thermal conductivity and convective heat transfer effects on hydrate dissociation rate was performed for different initial radius of the particle.     

In-situ observation for natural gas hydrate in porous medium: Water performance and formation characteristic

Extensive efforts have been made regarding gas hydrate sample reconstruction in the laboratory for a better understanding and development of natural gas resources. Magnetic resonance imaging (MRI) is a useful method for directly observing the reconstruction of methane hydrate, yet relevant studies remain limited. In this study, a 9.4-T 400-MHz MRI instrument was employed to investigate CH₄ hydrate formation in porous media involving various initial water saturation levels and sand diameters. Pressure histories and MRI signal variations were monitored to discuss the process of CH₄ hydrate growth, and the three main formation stages of induction, rapid growth, and slow formation were determined. Furthermore, the liquid water performance in MRI micro-images was analyzed to predict the characteristics of CH₄ hydrate formation. The results indicated that CH₄ hydrate formed in a spatially and temporally random manner and that pore plugging occurred owing to the residual water encased in grown hydrate. Additionally, phase saturations, water conversion percentages, and formation rates were defined to evaluate the effect of sand diameter and initial water saturation on CH₄ hydrate formation. With the reduction in the diameter of quartz glass beads from 400 μm to 100 μm, the average hydrate formation rate increased from 0.0010 min⁻¹ to 0.0034 min⁻¹, respectively. When the initial water saturation decreased to the optimized value (0.22 in this study), the water conversion percentage and hydrate saturation increased.     

基于Raman光谱技术的瓦斯混合气水合过程定量分析

瓦斯水合物微观晶体结构研究对水合分离技术具有重要理论意义。利用Raman光谱技术对三种含高浓度CO₂瓦斯混合气水合反应过程进行在线观测,并对水合物相Raman光谱图进行分析,获取了瓦斯水合物不同生长阶段大、小孔穴占有率,同时利用van der Waals与Platteeuw热力学统计模型间接获得水合指数等晶体结构信息。结果表明,瓦斯水合物孔穴占有率及水合指数在水合物不同生长阶段未发生较大变化,水合物相中大孔穴几乎被客体分子填满,CO₂与CH₄分子共同占据大孔穴,但CO₂占绝大多数,达到78.58%~94.09%,CH₄分子仅为4.52%~19.12%,这主要是由于两种分子间存在竞争关系且气样中CO₂浓度明显高于CH₄,大孔穴占有率维持在97.70%~98.68%;小孔穴占有率为17.93%~82.41%,占有率普遍偏低,且仅有CH₄分子;随气样中CH₄浓度增加,CH₄在大、小孔穴中的占有率均有所增加,且CH₄分子在大孔穴中的占有率均明显低于在小孔穴中占有率;水合物生长不同阶段水合指数为6.13~7.33,随气样中CH₄浓度的增加,小孔穴占有率有所增加,致使水合指数随之降低;由于瓦斯水合物生长分布不均匀,三种气样对应的不同生长阶段水合指数均呈不规则变化。     

醇类抑制剂对甲烷水合物形成的影响

在本工作中,甲烷水合物的生长动力学是通过甲醇、乙醇、乙二醇三种不同醇类抑制剂存在下的分子动力学模拟研究的.模拟结果发现,三种醇类都可作为甲烷水合物的抑制剂,醇类分子中的亲水性羟基极大地破坏了水合物笼的结构,并且羟基可以与局部的液态水分子形成氢键,从而增加了形成水合物笼型结构的难度,导致甲烷水合物的生长速率降低.对于甲醇分子,甲醇分子的亲水性羟基与水分子形成氢键从而破坏了水分子结构,而亲油性甲基对周围的水分子具有簇效应,两者都会降低水合物生长速率;对于乙二醇和乙醇分子,它们只含有羟基,特别是乙二醇分子含有两个羟基,其对H₂O分子有很强的吸附作用,导致水合物生长速率降低.在抑制效果方面,甲醇分子最优,乙二醇稍微优于乙醇.