水合物分离二氧化碳气体的研究

气体水合物是在一定的温度和压力下由气体分子填充水分子产生的晶格而形成的一种笼形晶体.这种水结晶体具有高密度的特性使其成为诸多基于气体水合物应用技术的基础.利用气体水合物生成的原理,将空气中的二氧化碳分离出来,并以气体水合物的形式储存在海洋深处.对二氧化碳气体水合物的生成过程和表面活性剂的促进作用进行了实验研究.选取十二烷基硫酸钠(SDS)、十二烷基苯磺酸钠(SDBS)、对甲苯磺酸(p-TSA)三种表面活性剂进行了二氧化碳气体水合物生成的促进研究,确定了促进气体水合物生成的机理与途径.结果表明:三种表面活性剂在一定的程度上都能缩短气体水合物生成的诱导时间,提高了气体水合物的生成速率.     

Span20促进甲烷水合物生成的实验研究

在已有的天然气水合物储气实验台上,利用带磁力搅拌的141 mL高压反应釜,采用定压法,在温度为(274.15±0.10)K、压力为(8.30±0.10)MPa的条件下,从诱导时间、生成速率和储气密度等方面研究了非离子表面活性剂失水山梨醇单月桂酸酯(Span20)的质量分数为0～3%范围内对甲烷水合物生成的影响.结果发现:Span20的质量分数为0.2%时诱导时间最短,为53～167 min;在0.4%时的生成速率最大,是纯水的10倍以上,同时其储气密度V/V0最大,达到145.2.通过分析Span20的分子结构,对表面活性剂促进甲烷水合物形成机理进行了研究,认为可能是Span20分子中带有2个羟基的类四氢呋喃结构的诱导作用以及假六元环的模板作用共同促进了甲烷水合物的形成.     

添加剂对水合物蓄冷过程影响探讨

水合物蓄冷技术应用的关键是水合物的快速成核与生长。探讨了多孔介质、醇、电解质、表面活性剂、纳米颗粒等影响水合物结晶成核诱导时间、生长速度和蓄冷密度等关键因素。通过合适的添加剂制成乳液和纳米乳液,降低了水合物成核诱导时间,减少了水合物形成过冷度。纳米乳液中水合物可在静态系统中蓄冷。     

表面活性剂对瓦斯水合物生成诱导时间影响

为了揭示表面活性剂在瓦斯水合物生成过程的促进作用规律,利用可视化水合物实验设备,研究了5组表面活性剂溶液体系(T40,1.0×10-3 mol·L-1;T80,1.0×10-3 mol·L-1;T40/T80,1.0×10-3 mol·L-1;SDS,10.0×10-3 mol·L-1;SDBS,2.0×10-3 mol·L-1)中瓦斯水合物的生成过程,运用直接观测法测定了水合物生长的广义诱导时间,结合建立的水合物诱导时间模型对实验数据进行了计算和分析.结果表明:表面活性剂的加入降低了溶液的表面张力,促进了烷烃类气体溶解,加快了晶核形成过程,缩短了水合物生成的诱导时间.该成果对运用水合物技术储运瓦斯具有一定理论价值.     

瓦斯水合物在煤-表面活性剂溶液体系中的生成

利用自制水合物实验装置研究了温度为15.3～25.4℃、压力为0.41～24.72 MPa条件下4组煤-表面活性剂溶液体系中瓦斯水合物的生成过程,得到水合物生成的热力学参数,运用气体水合物生成速率理论对实验数据进行了计算.结果表明:表面活性剂的加入促进了水合物的生长,水合物的生成速度与表面活性剂的种类、浓度有关,不同种类的表面活性剂溶液虽然其浓度相同,但诱导时间和生成速度均有很大差异.对煤-气界面水合物不规则生长的现象进行了分析,认为表面活性剂的存在使煤体表面产生了促进水合物生成的吸附层.     

环戊烷水合物作为氨基酸型促进剂初筛方法的实验研究

固态天然气水合物是一种潜力巨大,高效安全的储能方式,却一直受限于其苛刻的生成条件和缓慢的生成速率,因而近年来水合物促进剂成为人们关注的焦点。通过对比测试了正缬氨酸、丙氨酸和组氨酸三种氨基酸在常压环戊烷水合物体系和高压甲烷水合物体系中的效果,研究利用更为安全的环戊烷体系对水合物促进剂进行初筛的可行性。实验结果表明,同丙氨酸和组氨酸相比,环戊烷体系中正缬氨酸具有最高效的促进效果,显著提升了水合物生成速率,其最适浓度为0.5wt%,诱导时间和反应最高温度分别为9.5 min和4.5 ℃,另外,乳化剂Span 20对正缬氨酸有良好的协同增效作用;同时,正缬氨酸在甲烷水合物体系同样具有最佳的促进性能,有效提升了甲烷水合物的储气量,初始过冷度的增加可有效提高水合物生成速率与储气能力。因此,环戊烷水合物体系可以作为一种初步筛选高效氨基酸型促进剂的方法。     

表面活性剂对甲烷水合物储气特性影响的实验研究

利用高压水合物形成实验装置测量了表面活性剂对水合物形成过程的影响。实验结果表明：微量的表面活性剂可使水合物在静止的系统中快速形成，提高了气体水合物的储气能力，并改变了水合物的形成机理。根据活性剂含量与水合物储气量的关系，确认十二烷基硫酸钠(SDS)和烷基多糖苷(APG)在水合物形成体系中的临界胶束质量分数分别为0．03％和0．05％。阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠对水合物储气的促进作用比非离子表面活性剂烷基多糖苷强。     

甲烷水合固化过程反应热实验研究

为及时将气体水合过程中的反应热传递出去,使水合物稳定快速生成,利用可视化实验系统研究了三种体系甲烷水合物生成过程中的反应热。根据甲烷水合物相平衡数据,结合推导出的反应热计算方程,计算三种实验体系的反应热。结果表明,在表面活性剂的作用下,甲烷水合物的生成速率提高,对应的反应热增多。     

甲烷浓度对瓦斯水合物生长速率的影响

为提高瓦斯水合物生成速率,利用可视化水合物实验设备,研究了四种不同甲烷体积分数的高浓度瓦斯气样在0.3 mol/L四氢呋喃（THF）和0.2 mol/L十二烷基硫酸钠（SDS）复配溶液中水合固化过程,获取了瓦斯水合物生成过程的压力-时间曲线,结合水合物生长速率模型对数据进行计算和分析。结果表明：随着甲烷体积分数的提高,瓦斯水合物生长速率呈增大趋势,最大可达5.40×10~（-6）m~3/min;THF-SDS复配体系在一定程度上提高了瓦斯水合物生长速率,促进了水合物的形成。该研究为应用水合物技术进行瓦斯固化储存提供了参考数据。     

分子动力学模拟研究ZIF-8颗粒对甲烷水合物形成过程的影响

为了揭示ZIF-8颗粒对甲烷水合物形成过程的微观影响机理,通过分子动力学模拟方法研究了有/无ZIF-8颗粒体系中的甲烷水合物成核及生长过程。结果表明：ZIF-8颗粒的加入会影响甲烷水合物的成核及生长动力学,加速或减缓水合物的成核及生长过程。ZIF-8不同的加入量对水合物形成动力学亦有着不同的影响作用。其中,加入少量的ZIF-8颗粒可在不降低水溶液中甲烷过饱和度的情况下,通过加速甲烷分子在水溶液中的运移及水分子的组装行为,促进水合物前驱体及闭合笼状结构的形成,推动水合物的快速成核及生长。当加入的ZIF-8颗粒达到一定浓度时会在短时间内吸引更多的甲烷分子从水溶液中逃离出来并在其表面聚集成纳米气泡,致使水溶液中的甲烷浓度降低、水合物形成驱动力下降,最终导致水合物的形成过程被明显地抑制。     

氯化钠和酪氨酸增强PVP抑制水合物的性能

油气输送管道在一定条件下会形成水合物,可能导致灾难性的后果,通过注入动力学抑制剂,可以延迟水合物的形成。在11.7 MPa和293.1 K条件下,向高压反应釜内注入混合气体(甲烷、乙烷和丙烷),实验研究NaCl和酪氨酸(L-tyrosine)对聚乙烯吡咯烷酮(PVP)抑制水合物性能的影响。通过测量水合物的成核温度、诱导时间和耗气量,评判NaCl和L-tyrosine对PVP抑制水合物的效果。实验结果表明:添加1%(质量分数,下同)的PVP后,水合物的成核温度为282.7 K,诱导时间为45 min,耗气量为5.96×10~(-2)mol;然而,添加0.25%NaCl、0.25%L-tyrosine与0.5%PVP组合抑制剂后,水合物的成核温度为281.7 K,诱导时间为65 min,耗气量为5.19×10~(-2)mol,比蒸馏水系统的气体消耗量减少了约27%。因此,NaCl和L-tyrosine能明显提高PVP抑制水合物的效果。     

二氧化碳气体水合物生成特性的实验研究

在小型高压水合物反应装置上研究了二氧化碳水合物的生成特性.实验结果表明,静态系统下,二氧化碳气体在纯水体系中的生成速率非常缓慢,只在气-液界面处有一薄层浆状水合物生成.通过添加适当的表面活性剂可以有效改善气-水体系的传质阻力,增加气-水接触面,显著提高水合物的生成速率.     

不同驱动力下瓦斯气体水合物的诱导时间分布

为探寻不同驱动力条件影响瓦斯水合物形成诱导时间的分布规律,利用全透明高压反应釜开展多组分瓦斯混合气(CH_4-CO_2-C_3H_8-N_2-O_2)水合成核动力学实验。基于四种不同驱动力下诱导时间实验结果,结合二次多项式,建立不同组分气体诱导时间和驱动力经验关系。研究发现,同一实验体系中瓦斯水合物形成诱导时间随驱动力增大而缩短;不同浓度瓦斯水合物形成诱导时间分布差异较大。基于偏摩尔吉布斯自由能随驱动力变化规律,初步探讨驱动力对多组分瓦斯水合物成核过程影响机理。分析认为:在一定范围内驱动力对瓦斯水合物成核过程具有促进作用.而驱动力过高将抑制水合物晶核的形成。     

多孔介质及盐度对甲烷水合物相平衡影响

为模拟自然界天然气水合物的合成与分解条件,开发了研究多孔介质中甲烷水合物相平衡特性的实验装置,利用恒定容积法测定了孔隙尺寸、盐度等对甲烷水合物相平衡条件的影响.结果显示多孔介质中甲烷水合物容易生成,诱导时间短.随着孔隙尺寸的增加,甲烷水合物相平衡曲线右移;随着盐度的增加,甲烷水合物相平衡曲线左移;盐度水平和孔隙尺寸水平...     

丙烷含量对多组分气体水合物生长速率的影响

为使多组分瓦斯气体迅速固化、储运,利用可视化水合物实验设备,研究了三种多组分气样在0.1 mol/L四氢呋喃(THF)和0.2 mol/L十二烷基硫酸钠(SDS)复配溶液中的水合固化过程,实验获取了水合物生成过程的压力-温度-时间曲线,结合水合物生长速率模型对实验数据进行计算和分析。结果表明:三种气样中随着丙烷含量的提高,生长速率呈增大趋势,在一定程度上可以提高水合物生长速率,抑制水合物中甲烷的含量。     

水合物动力学抑制剂在油水体系内抑制性能实验研究

水合物造成的管道流动安全问题长期困扰着油气生产和运输部门。采用高压蓝宝石反应釜,系统研究了一类水合物动力学抑制剂在油水体系内的抑制性能,实验结果表明:在(柴油+水+甲烷)体系内,可视观察法测定的诱导时间更能真实反映水合物动力学抑制剂的抑制性能;随着动力学抑制剂添加浓度的增加,在进气压力相近情况下,体系可承受的最大过冷度呈现先增大后减少的趋势。在(柴油+水+乳化剂+甲烷)体系内,乳化剂的添加浓度对体系可承受的最大过冷度无明显影响;在动力学抑制剂添加浓度相同情况下,实验测定的最大过冷度比(柴油+水+甲烷)体系中的测定结果偏小。最后从油水乳化角度对比分析了动力学抑制剂在油水体系内的抑制机理。     

不同类型表面活性剂促进HCFC-141b水合物生成热力学研究

制冷剂水合物蓄冷是实现电网负荷侧调峰、提高空调经济性的一种新型节能技术。提出使用阴离子表面活性剂SDS、非离子型表面活性剂Tween80和Span80、助表面活性剂正丁醇(n-BA)促进静态条件下HCFC-141b水合物生成,基于等容定温法获得5种配比的水合物生成温度曲线,并利用6组平行实验判定水合物平均生成时间、水合体系稳定性;基于图像观察法确定水合物生成位置与质地。结果表明,不同类型表面活性剂均可在不同程度上促进水合物生成,但是水合体系稳定性均较差;其中浓度分别为2 wt%、0.1 wt%、0.1 wt%的Tween80 + Span80 + n-BA体系效果最佳,诱导时间(纯水体系>16 h)缩短至17.5 min,水合物溶液最为均匀,能够实现HCFC-141b水合物快速成核目标。