深水天然气水合物及其管道输送技术

深水天然气水合物是具有广阔应用前景的非常规天然气资源.开采出的深水天然气水合物通过管道输送是实现水合物资源开发、利用的关键环节.输送过程中,管道内的压力、温度会不断发生变化,使得管道内出现伴随水合物生长或分解的复杂气液固三相流动.本文介绍了天然气水合物资源分布情况和开采方式,综述了近年来天然气水合物生长、分解动力学和含水合物颗粒的气液固多相流动方面的研究进展,分析了深水天然气水合物输送管道的安全性.指出未来在深水水合物输送方面应坚持实验与理论相结合的研究手段,着重开展以下三个方面的研究内容:第一是考虑管流作用下天然气、水、水合物三相界面之间的传热传质特点,以及气液流速、流型对传热传质的影响,建立多组分气体水合物生长、分解动力学模型;第二是综合考虑水合物颗粒的微观受力和流体对固相的携带能力,分析水合物颗粒的聚集特征、流动特性以及在管道中的沉积规律;第三是考虑水合物颗粒的生长、分解与管道内流速、流型和压降之间的耦合作用,建立伴随水合物颗粒生长、分解、聚集、沉积的气液固多相管输模型,定量描述水合物颗粒的发展过程和三相流动规律,为深水天然气水合物输送管道的设计、运行和管理提供理论与技术支撑.     

蜡晶析出沉积与水合物结晶生成耦合热力学与动力学研究进展

在深水油气田开发过程中,高压、低温的环境,使得具有高含蜡、高凝点、高黏度特性的油气,在从油藏到下游设备的输送体系内,面临着蜡和水合物同时存在的可能,这会极大地增加流动堵塞风险,从而加重输送体系的安全隐患.因此,开展蜡和水合物共存体系的耦合研究,具有十分重要的意义,是流动保障的重要研究课题之一.本文分别从热力学和动力学两方面,简要总结了蜡和水合物单独存在体系的研究成果,重点阐述了在此基础上所开展的二者共存体系耦合的初步研究,结合在高压反应釜和环道开展的探索实验对其进行简要分析.指出应在已开展的蜡与水合物热力学和动力学独立研究的基础上,开展二者耦合研究:在二者耦合热力学研究方面,应选用能更好地描述液相和固相非理想性的改进模型,抓住二者共存体系组分在各相中的分布变化,建立有效而精确的耦合热力学计算模型,以深入理解蜡与水合物之间相态行为的相互影响机理;在耦合动力学研究方面,应借助可视化的测试手段和实验仪器,分析二者共存体系固体颗粒与乳化液相的微观分布机理,探究蜡分子扩散机理、水合物界面吸附与生长特性,综合考虑复杂的多影响因素,从蜡晶对水合物生成、水合物对蜡晶析出沉积影响的两方面分别着手,以获得蜡与水合物之间动力学行为的相互作用机理.     

液固两相离心泵内固体颗粒对液相湍流调制的测试方法及机理

固液两相离心泵的性能和效率受控于泵内的两相流动规律,理解泵内的两相流动规律和磨蚀机理,对于合理设计和延长泵的使用寿命具有重要意义.以离心泵内的固液两相流为研究对象,通过搭建无搅拌固液两相流PIV测试平台,消除高速搅拌对泵内流场的影响,改进颗粒-流体的两相循环方式,提高了实验的测试精度;通过POD方法分析低固相浓度时泵的性能改善的原因,探寻固体颗粒对泵内液相湍流的调制机理.进一步补充和完善固液两相流水动力学理论体系,为指导固液两相流高效的工业应用提供理论基础.     

气固两相交叉射流相间传热的LBE-DEM模拟

采用格子波尔兹曼/离散元(LBE-DEM)耦合方法模拟气固两相交叉射流相间传热,重点考察了流体和颗粒之间的热量双向耦合及其对两相传热过程的影响.流场雷诺数Re=1000,在相同颗粒数目下选取了10,25,50三种Stokes数.研究分析了气固多相交叉射流中气相温度分布,颗粒群分布形态特性以及相间的双向耦合传热特性及其影响因素.研究发现交叉射流两相传热过程在撞击前期和后期分别受两相平均温差和两相换热系数的主导,而其主导因素的转换与颗粒动态响应特性有关.     

高速摄像技术观测过饱和NaClO_4气溶胶结晶动力学过程

利用高速摄像系统与光学显微镜联用,观测了沉积在石英基底上的过饱和NaClO4气溶胶结晶时形貌变化的动力学过程.研究发现,过饱和NaClO4气溶胶在相对湿度(RH)为10%时才生成亚稳态的无水NaClO4晶体.生成亚稳态固相的过程按照先后顺序分为3个步骤:生成主茎、产生分枝和深度失水过程.其中晶体主茎保持均匀快速增长,在120ms内完成,一级分枝生长速度受晶体析出和液滴与环境平衡作用的共同制约,完成整个过程的时间是1200ms.伴随着一级分枝的增长,二级分枝的生长也在缓慢进行.相对于晶体主茎和分枝的生长,深度失水过程更为复杂和漫长.     

考虑非弹性碰撞的低浓度固液两相流动理学模型

用修正的BGK模型模拟粒间非弹性碰撞效应, 用Fokker-Planck扩散算子描述湍流-颗粒作用, 建立了低浓度固液两相流颗粒相的模型动理学方程和宏观水动力学方程组. 运用 Chapman-Enskog迭代法获得动理学方程的二阶近似解, 建立了颗粒相脉动应力和脉动能传导通量的显式本构关系. 建立的动理学模型在颗粒近乎弹性条件下简化为已有的模型, 为固液两相流模拟提供了一个实用模型.     

温和条件下甲烷水合物强化生成技术

基于水合物的固体天然气技术在天然气储运、二氧化碳埋存、海水淡化等技术领域具有广阔的应用前景,而强化温和条件下的水合物生成动力学是推动该技术应用的关键.本文通过乳液聚合法制备了–N(CH3)3+@PSNS纳米促进剂,评价了其与螺旋搅拌协同作用对甲烷水合物生成动力学的影响,并揭示了协同促进机理.研究表明,螺旋搅拌诱导的双向对流强化了反应釜内气液传质,增强了水合物早期生长动力学,而纳米促进剂增加了水合物的多孔特性,强化了后期水合物生长动力学,提高了低倾角下水合物转化率,两者协同作用大幅改善了温和条件下的水合效率.在温和条件下(3.8 MPa),水合物储气量在25°和35°倾角下分别为107.96和140.43 m3/m3,与纯水体系相比分别增加59.16%和91.74%.该研究使得温和条件下水合物高效制备成为可能,对推动水合物基固体天然气技术的应用具有重要的指导意义.     

高速摄像技术观测过饱和NaClO4气溶胶结晶动力学过程

利用高速摄像系统与光学显微镜联用, 观测了沉积在石英基底上的过饱和NaClO₄气溶胶结晶时形貌变化的动力学过程. 研究发现, 过饱和NaClO₄气溶胶在相对湿度(RH)为10%时才生成亚稳态的无水NaClO₄晶体. 生成亚稳态固相的过程按照先后顺序分为3个步骤: 生成主茎、产生分枝和深度失水过程. 其中晶体主茎保持均匀快速增长, 在120 ms内完成, 一级分枝生长速度受晶体析出和液滴与环境平衡作用的共同制约, 完成整个过程的时间是1200 ms. 伴随着一级分枝的增长, 二级分枝的生长也在缓慢进行. 相对于晶体主茎和分枝的生长, 深度失水过程更为复杂和漫长.     

气固流化系统中固相加工过程的研究Ⅳ 颗粒粒度分布影响的理论研究

(一)对于流态化床内的固相加工过程,固体颗粒的停留时间分布和粒度分布显然是两个极为重要的宏观动力学因素。作者在本研究Ⅰ、Ⅱ及Ⅲ中考虑了一般情况下固体颗粒的停留时间分布及其对固相加工过程的影响。粒度分布影响的研究至今尚属罕见,仅在本研究已获得一定结果时才看到有少数论文发表。本文就单层流态化床内粒度分布的影响进行理论分析,为进一步的实验研究提供理论基础。     

Nb/Si多层膜中晶态硅化物的第一形成相

近几年,由于硅化物的形成问题在电子器件的应用和基础研究中具有重要的地位,尤其是第一晶态相的形成问题,使它始终是本领域科学工作者的研究方向,金属/硅多层膜中的固相反应已经被广泛地研究,虽然有很多关于金属/硅多层膜固相反应的理论和模型,但界面反应过程中如何预测第一相的形成仍有许多问题没有解决,硅化物第一相的形成问题是当前固相反应研究的前沿问题,虽然在Nb-Si二元平衡相图中存在着其他晶态相,到目前为止,在关于Nb/Si固相反应的研究报告中只有NbSi_2相在较高的退火温度下形成,实际上,虽然热力学参数可以给出固态反应的反应趋势,但在许多金属/硅多层膜中首先形核长大的相不是自由能最小的晶态硅化物相,也就是说,决定首先形核长大相的不一定是通常的热力学因素,动力学因素也起重要作用.本文讨论了不同沉积温度条件下Nb/Si多层膜的初始相形成和相选择问题,采用高分辨透射电子显微镜和X射线衍射研究界面反应,利用动力学和热力学因素解释Nb/Si多层膜的固相反应过程中晶态硅化物的第一形成相问题.     

有两种机制共存的耗散结构的极值条件

通过分析湍流管道流动中惯性和粘性的协调作用与气固流态化系统中颗粒运动与流体运动的协调作用之间的相似性,初步提出如下推论：由两种机制（如：湍流中的粘性和惯性;流态化中的颗粒运动和流体运动）共同支配的,系统的稳定性条件物理意义上可表达为这两种机制各自独立的极值趋势互为约束的条件极值。     

太阳能CO_2煤气化反应器玻璃窗清洁度的数值模拟

太阳能二氧化碳煤气化拥有减少CO_2排放,清洁、节能地制取高品质高纯度气体燃料的优点.作为太阳能热化学制备清洁燃料的核心部件,旋风流反应器便于输运、液态排渣、效率高、易实现,然而直接式反应器的一个主要问题是煤颗粒会沾染反应器玻璃窗口,影响反应器效率和安全性.针对三维直接辐照旋流太阳热化学反应器,并考虑能流椭球型分布及聚光边界条件,本文采用欧拉-拉格朗日方法建立了气固两相流数学模型并耦合煤颗粒、气体的参与性介质辐射和化学反应动力学模型.与苏黎世联邦理工学院的实验结果对比验证之后,研究了CO_2进气质量流量配比和煤颗粒质量流量对石英玻璃窗表面沉积煤颗粒的影响规律.计算结果表明,保持玻璃窗口清洁主要取决于进气质量流量配比,当CO_2与煤颗粒的摩尔比在1.3～1.8的范围内,腔体、清扫玻璃和输送煤颗粒气体质量流量分别占总CO_2进气质量流量的范围为71.9%～78.2%,15.7%～20.7%和5%～10%,玻璃窗口清洁度最优.煤颗粒质量流量对石英玻璃窗表面沉积煤颗粒的影响不大,但会显著影响煤颗粒运动轨迹.     

海相原油裂解生气实验产物的物质平衡计算: 一个基于储层固体沥青分析的原油裂解气资源量预测模型

原油裂解气在中国高-过成熟地区的天然气资源中举足轻重, 对其资源量的有效预测和评估是勘探决策的关键. 通过高压封闭体系原油裂解模拟实验, 对海相原油裂解生成的气、液、固三相产物(总气体、残余液烃、固态焦沥青)进行定量分析, 在实验数据和生烃动力学计算的基础上, 回归拟合出原油裂解过程中气、液、固态产物产率变化的相关关系式. 据此建立了从储层固体沥青入手的、适合原油裂解成因天然气资源量的预测模型, 并建立了基于质量守恒原理的验证公式. 从实验基础和实际应用两个方面讨论了预测模型的影响因素及应用条件. 该模型的提出, 将为中国高-过成熟海相碳酸盐岩地区天然气资源评价和古油藏恢复提供新的思路和启发, 可望具有较好的应用价值.     

高效能吸附柱分析气态烃

临界点比较低的物质在高沸点的溶剂中溶解度都比较小,差别不大。对于这种体系的分析,目前一般都采用填充柱吸附色谱法。由于填充柱色谱的特性及吸附剂颗粒内部扩散阻力,使这一方法需时长和效率较低。根据与气液分配色谱相似原理,降低固定相厚度是能提高柱效率的。因此可以在惰性担     

CVD制备SiOx纳米线的各个生长阶段的直接实验证据

在纳米线的制备中, 气-液-固(VLS)生长机制得到了人们的广泛认可, 但该机制的很多细节还停留在模型阶段. 依托实验室自行设计的一台生长条件高度可控的高温化学气相沉积(CVD)系统, 采用较为简便的方法, 直接在Si片衬底上制备出了SiO_x纳米线. 通过严格控制实验参数, 用离位观测捕捉到了纳米线的催化、形核和长大的一系列过程及其相关细节, 并发现纳米线从细到粗的气-液-固(VLS)生长机制. 讨论了气-液-固(VLS)机制中气态Si原子的来源以及纳米线的催化、形核和长大过程中的纳米曲率效应和“纳米熟化”现象, 取得了对SiO_x纳米线VLS催化生长机制的理解的突破.     

熔体参与变质反应的高温高压实验研究

大多数麻粒岩区变质高峰期温度、压力与许多变质岩类(尤其是变泥质岩)脱水熔融、部分熔融的P-T条件重叠,而模拟变质过程脱水熔融、变质反应及其矿物相转变动力学过程主要     

取向硅钢中脱碳工艺的数值模拟

根据钢带表面的氧化脱碳与钢带内部的碳通量平衡,建立了取向硅钢钢带在N2-H2-H2O混合气中高温脱碳的动力学数学模拟模型.本模型引入有效氧位覆盖率概念以定量描述钢带表面选择性氧化对脱碳的影响.根据合理设定的气固相界面处的边界条件,对该模型的数值求解可以定量描述脱碳温度、脱碳气氛、钢带厚度对脱碳动力学的影响.模拟计算结果表明,脱碳的限制性环节在于钢带内部的碳扩散而不是在气固界面的脱碳化学反应,只有提高退火温度而不是改变退火气氛才能有效加快脱碳速度.因此对于较厚的取向硅钢钢带进行脱碳,提高退火温度几乎是必然选择.     

含有BaO析出相的YBCO超导薄膜

人们对YBa_2Cu_3O_(7-x)(YBCO)薄膜中第二相的行为进行了广泛的研究,结果表明:第二相的形成可以对YBCO薄膜的生长机制、超导电性能产生相当大的影响.扫描电镜揭示了第二相与超导薄膜表面形貌的关系:随着薄膜中Cu/Y和Ba/Y原子比减小,YBCO薄膜的表面粗糙度增大;而增加薄膜中的Cu含量,将导致薄膜表面形成细小的第二相CuO颗粒.最近,一些研究小组在脉冲激光沉积制备的YBCO薄膜中观察到了析出相Y_2O_3,CuO,Y_2CuO_5和     

盐湖卤水蒸发过程中的稳定氯同位素分馏

在28±2℃下进行了察尔汗盐湖卤水的蒸发实验,实验设计为2组,分别为阶段固液相全分离蒸发和固相连续沉积蒸发.在蒸发过程中采集了79件固液样品,并利用基于检测Cs2Cl+的高精度正热电离质谱法进行氯同位素组成测定.根据盐类沉积中Na+,K+,Mg2+的含量变化,整个蒸发过程可分为石盐、光卤石和水氯镁石3个析盐阶段,各析盐阶段固液相间的氯同位素分馏表现出如下特征:在整个析盐过程中均表现为正分馏特征,即37Cl在析出相中富集,引起固液相37Cl的逐渐降低;石盐具有最高的氯同位素分馏系数(h),光卤石(c)次之,水氯镁石(b)最低;实验中曾发现,析出相转变的瞬期,有异常的反分馏现象出现,即35Cl在析出相中富集,但是卤水和固相37Cl值均未出现Eggenkamp等人推算的在光卤石及六水镁石阶段升高的趋势.实验结果表明残余卤水是35Cl的"汇".实验结果与天然钻孔样品观察到的现象一致,这些结果启示37Cl值是一个反映卤水演化阶段的良好指标,对于钾盐勘探工作具有重要意义.     

地壳深部流体——NaCl-H_2O高温高压实验观测及其科学意义

为了研究地壳深部流体性质,使用有金刚石窗口高压腔观察NaCl-H_2O饱和溶液在高温高压下相关系。实验观测的NaCl-H_2O溶液盐度为32％～50％左右,温度为25～850℃,压力为0.1～1000MPa左右。这个温度-压力范围内,可以看到超临界单一相、气-液-固三相,接近临界态的二相不混溶的蒸汽相与液相（L V）。发现35％盐度NaCl溶液的二相不混溶区的温度区间是250（±3）～721℃。约在575～650℃范围内,二相不混溶区性质极不稳定,可能是一种“临界现象”:L-V二相界面几乎不停顿地“爆破”,界面分不清,L-V之间不停地转变。当温度抵达某一值时,不混溶的L-V相界线突然消失。并且还观察到二相不混溶液具有一种特殊结晶结构,或者结晶对称性。