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.     

气体水合物膜生长动力学研究进展

由于大多数水合物客体不溶于水,水相与客体相界面首先形成一层气体水合物膜,气体水合物膜生长是水合物生长的主要形式,研究水合物膜生长规律对于理解水合物生长动力学及进一步开发促进和抑制水合物生长的应用技术具有重要意义.本文综述了近年来气体水合物膜生长形态、横向生长和增厚生长的理论和实验研究进展.首先介绍了不同客体-水体系(包括气/液界面、液/液界面和气-液-液体系)形成的水合物膜生长形态随实验条件的变化规律,然后分别从横向生长和增厚生长两方面总结了水合物膜生长的实验和模型方面的研究工作,阐述了常见的膜生长速率和膜厚度的测量方法,分析了水合物膜生长的传热和传质机理.同时展望了未来水合物膜生长研究的发展方向.     

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%.     

用激光散射法研究冷冻剂R12水合物的生成动力学

建立了高压混相全透明循环管路装置, 装置中配备有水合物生成器、激光粒度仪和控温系统等, 工作压力可达4 MPa, 用来研究水合物生成动力学行为. 利用激光散射方法, 测定了0.24和0.32 MPa下, 温度为277.1 K 时, 冷冻剂CCl₂F₂, 即R12, 生成水合物的颗粒尺寸和分布, 液体流量范围为300~1400 L/h. 并使用Rosin-Rammler分布分析了所测粒径分布数据. 实验结果表明, 反应初期水相中水合物粒子的直径增加很快, 随着水合物的大量生成, 水相中水合物的浓度不断增加, 水合物颗粒的尺寸逐渐趋于稳定. 在液体流量较大和压力较高的情况下所生成水合物颗粒的浓度较大. 根据物料平衡, 建立了水合物的粒度生长模型, 将水合物生成气消耗量与所生成水合物粒度分布相关联. 基于由粒度生长模型算出的气体消耗量与实测值相近.     

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.     

气体水合物垂直换热管外融冰快速成核与静态渗透生长

通过HCFC141b气体水合物在一根垂直换热管外的生成过程可视化实验研究, 发现了融冰快速成核以及水沿垂直换热管自发渗透入客体相中连续生长气体水合物的现象, 并分别利用周公度和Sloan的假说以及表面自由能理论对这两种现象进行了机理性解释, 进而研究出一种新型的气体水合物生成方法——气体水合物换热管外融冰渗透生长方法. 由于不需要机械扰动, 利用该方法生成的气体水合物非常密实, 含水率低, 克服了机械扰动系统中能耗高且生成的水合物含水率高的缺点, 将促进气体水合物储气或蓄冷等应用技术的发展.     

HCFC-141b致冷剂气体水合物结晶生成过程及其分形生长模型

通过对致冷剂HCFC-141b气体水合物结晶生成过程的显微观测研究,得到了水合物的结晶生成过程微观图像,认为水合物的生成是由于HCFC-141b致冷剂与水在过冷的条件下在界面接触处率先成核,成核诱导与致冷剂的扩散导致水合物不断长大,并呈现出枝状生长的现象.对水合物生成过程中不同阶段的图像进行维数计算,结果表明该水合物结晶生成过程初期属于分形生长,其生长的维数为1.52.应用分形理论,建立了HCFC-141b水合物结晶生长的RIN-DLA (Random Inducement Nucleation-Diffu-sion Limited Aggregation)模型,并对水合物的结晶生成过程进行了计算机模拟,计算并比较了实际图形和模拟图形的维数.     

在磁场作用下HCFC-141b制冷剂气体水合物的生成过程

通过实验发现不同直径的磁铁磁化铁丝后, 在反应器内形成的特殊的磁场会对HCFC-141b制冷剂气体水合物的生成过程产生显著的影响. 没有磁场作用时, 水合物只在水相中生成. 在磁场影响下, 水合物的生长方向发生改变, 可以先优先向水相或制冷剂相分别生长; 在特殊情况下, 水合物可以在制冷剂相的底部先生成; 水合物的生长区域可以扩展为在水与制冷剂两相中生长. 同时在磁场影响下, 引导时间极大地缩短, 可由9 h减小到最小40 min左右; 生成质量显著增多, 许多情况下水合率可以达到100%. 此外, 测出了磁场强度与引导时间和水合率的关系, 初步得到了一些规律.     

活性炭中甲烷水合物的分解动力学

在封闭体系内,在初始分解压力0.1 MPa,温度范围276～265 K之间,测定了 五组甲烷水合物在活性炭中的解动力学数据。分析了甲烷水合物在活性炭中分解的 物理过程,提出了以微分方程表达的宏观分解动力学模型。使用单步积分的吉尔（ Gear)方法解得微分方程的数值解,结合单纯形最优化方法拟合模型参数,模型计 算值与实验值符合良好。     

I型和II型结构气体水合物的记忆效应

利用水合物二次生成实验装置, 采用“定容法”对I型(甲烷、二氧化碳)和II型(丙烷)结构气体水合物的二次生成进行了实验, 研究了不同结构水合物(I型、II型)彼此间的记忆效应, 发现水合物生成过程存在明显的诱导期, I型结构水合物间在二次生成过程中存在着记忆效应. I型与II型结构水合物之间在相互二次生成过程中存在着显著的记忆效应.     

基于转化率法研究冰粉生成乙烯水合物的动力学及THF非常规抑制作用

利用压缩因子Z修正理想气体状态方程,得到冰粉生成乙烯水合物过程中冰体积的转化率,并结合Avrami方程与Arrhenius方程研究温度、压力及四氢呋喃等可控因素对冰粉生成乙烯水合物的影响规律和动力学行为.结果表明,乙烯与冰粉反应生成水合物时不存在诱导期,乙烯在冰粉表面快速成核并在一维方向上等速生长.在乙烯初始压力为4.90 MPa,温度在260.05~269.75 K范围内,冰粉合成乙烯水合物活化能E_a=21.28 kJ/mol,温度为269.75 K时,冰粉的最终转化率达19.20%.随着压力(1.98~4.90 MPa)和温度(250.46~269.75 K)升高,冰粉转化率也增加.THF降低了冰粉转化率和转化效率,分子尺寸效应表明THF在冰粉生成乙烯水合物过程中存在非常规抑制作用.     

加压流化床流化性质的实验与模拟研究

在二维射流流化床装置中,考察了压力对颗粒和气泡运动的影响规律.通过使用摄像技术详细的记录了压力下气泡的行为,并对其进行了分析,由此解决了较高压力下测量流态化性质较为困难的问题.数值研究通过CFD双欧拉模型模拟了带有V形分布器和中心射流的二维流化床内压力对气泡大小、床的膨胀率和射流深度的影响.实验和理论结果表明,在加压状态下,射流气速和分布板气速对气泡的产生、大小及形状有不同的影响.在较高的操作压力下,射流气速增加,气泡变长;分布器气速增大,气泡则变大;射流高度随着分布器气速的增加而降低.模拟结果与实验数据吻合较好,由此该模型为研究较高操作压力下射流流化床流化性质提供了有利的工具.     

液态金属催化裂解甲烷制氢动力学研究

液态金属催化甲烷热解是一种高效生产氢气且无二氧化碳排放的新兴技术.本文开发了一个液态金属裂解反应器催化甲烷热解的数值模型,在实验室自主搭建的液态金属制氢平台上得到的实验数据与模型预测结果吻合良好.该模型是基于甲烷在气液界面发生的催化热解、气泡内部发生的非催化热解过程和气泡上升过程中的流动行为,耦合了催化和非催化反应动力学和流体力学所建立的.使用气体体积流速、压力、气体成分、温度和液态金属性质(密度、黏度和表面张力)预测气泡尺寸和熔体中的气含率.该模型较好地预测了液态铜铋合金(Cu_0.45Bi_0.55)催化甲烷热解实验中不同温度、不同甲烷进气流量和液态金属高度下的甲烷转化率,得到了催化甲烷热解过程中的气含率、表观气体速率和压力沿液态金属高度的分布.实验数据与模型预测结果的高度吻合证明了模型的可靠性,该模型未来将有助于反应器优化和氢产率提高.     

十二烷基硫酸钠对甲烷水合物生成过程影响研究

根据甲烷水合物含气率高、分解速度慢等特性,提出利用高压注水技术和表面活性剂促进作用促使矿井瓦斯水合化以预防煤与瓦斯突出的思路。进行了3·6~12℃、7·82~12·26MPa条件下两种浓度体系(10mmol/L和0·3mmol/L)中十二烷基硫酸钠(SDS)对甲烷水合物作用效果的实验研究,结合水合物诱导时间、生成速度及含气率等计算对实验数据进行了分析,并运用表面张力法测得8℃时SDS溶液的临界胶束浓度(CMC)为2·5mmol/L。结果表明,高浓度体系对水合物生成速度、含气率的影响较之低浓度体系的更强,但是低浓度体系中水合物生成的诱导时间却较短,表面活性剂溶液浓度超过其CMC后对水合物的生成影响显著。     

用分子动力学模拟天然气水合物的抑制效应

用分子动力学模拟方法确定了结构H型(SH)天然气水合物的稳定晶体生长面为(001), 系统研究了277 K时三种动力学抑制剂对此晶面的影响. 模拟显示抑制剂中的氧与表面水分子形成氢键, 从而破坏原有的稳定结构, 造成水合物笼型结构坍塌, 达到抑制水合物形成的效果. 比较三种不同动力学抑制剂对SH的抑制效果得出: PVCap＞PEO＞PVP. 在此基础上研究了PVCap对天然气水合物结构I型(SI), 结构II型(SII)和SH三种不同晶型的抑制效应. 模拟发现抑制效果的次序为: SH＞SI＞SII.     

生物质洁净能源研究中的流化床动力学模型

分别对最小流化床、鼓泡流化床和腾涌流化床及相应的全混模型、鼓泡模型、气泡汇集模型等加以综述,分析其优缺点,并在此基础上提出动力学模拟研究的新思路.根据流化床内在的本质--流化态的不同,将流化床分为最小流化床、鼓泡流化床和腾涌流化床三种.总结了前人针对各种流化床提出的全混模型、鼓泡模型、气泡汇集模型等思想,建议今后可以在以下几个方面进行深入研究: ⑴使得模型更有普适性.⑵由于气泡有效直径尚不能在理论上求得,可以在理想气泡直径变化公式的基础上,加入非线性化学的计算.⑶确定不同情况下的参数,使得工作更有延续性,也使得模型更加具有生命力.⑷从高压的角度去进行模型的计算,并得到相应的试验数据支持.     

一个考虑沉积物孔径分布特征的水合物相平衡模型

天然气水合物的相平衡条件一直是水合物相关研究的重点和难点. 本文探讨了沉积物孔隙大小及其分布特征对水合物相平衡条件的影响机理, 提出了有效孔隙半径的概念, 并利用沉积物孔隙大小分布特征, 假设孔径分布呈正态分布, 建立了水合物饱和度和有效孔隙半径之间的定量关系; 与传统的van der Waals-Platteeuw相平衡模型相结合, 提出了一个考虑沉积物孔隙大小及其分布特征的相平衡模型. 相对于传统模型, 本模型所表达的相平衡条件不再是二维平面的p-T曲线, 而是温度、压力以及水合物饱和度之间的三维定量关系. 这一特征使得所建模型既能较为真实地反映水合物形成与分解机理, 又能有效地考虑孔隙大小分布对水合物相平衡条件的影响. 通过与实验数据对比, 证明了所建模型的预测结果优于其他模型. 本模型在温度和压力条件确定的情况下还可以预测沉积物中水合物的饱和度, 因此, 可用于地层中水合物储量计算.     

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.     

多孔介质中甲烷水合物的分解特性

利用定容降压方法测定了在不同多孔介质中甲烷水合物的分解实验数据, 所使用的多孔介质平均孔径分别为9.03, 12.95, 17.96和33.20 nm, 其中孔径为12.95 nm的多孔介质采用了3个粒径范围, 分别为0.105～0.150, 0.150～0.200和0.300～0.450 mm; 其它孔径的多孔介质的粒径范围为0.105～0.150 mm. 在封闭的条件下测定了不同温度与不同初始生成压力下甲烷水合物的分解实验数据(实验温度范围为269.15～278.15 K, 初始生成压力范围为4.1～11.0 MPa), 结果表明, 水合物的分解速度随着初始生成压力的增加和水浴温度的降低而升高, 也随孔径的增加而升高, 但随多孔介质粒径的增大而降低. 在孔径较大和分解温度较低时, 多孔介质中水合物分解引起的温度降低会使水结冰, 从而减缓水合物的分解速度.     

13C固体核磁共振测定气体水合物结构实验研究

采用高功率1H去偶结合魔角旋转13C固体核磁共振技术,在低温常压条件下对合成的乙烷和丙烷气体水合物进行了测试,获得了两种纯气体水合物的13C核磁共振谱图,初步建立了固体核磁共振波谱法测定天然气水合物的实验方法.实验表明:乙烷水合物的13C核磁共振谱图中仅有一条谱线(δ7.7),结构类型为sI,且乙烷分子仅填充在大笼中(...