高压流动体系CO2水合物生长动力学特性

为探明CO_2水合物在流动体系的生长过程及特性,借助高压循环可视环路装置,开展了一系列不同初始压力、载液量、流量下,CO_2水合物生成及浆液流动实验,得到了不同因素对水合物诱导时间及耗气量的影响规律。实验结果表明:在水合物大量生成阶段,管内温度突升、压力骤降,体系流量迅速下降直至稳定、压差呈先上升后下降的趋势; CO_2水合物诱导期随初始压力的增大而缩短,耗气量则随初始压力的升高而增加。在9 L-30 L/min的实验体系下,初始压力从2. 5 MPa增加到2. 8 MPa,诱导期缩短13. 2%,而初始压力为3 MPa时,诱导期仅为17. 4 min,缩短了36. 03%;诱导时间随载液量增加呈现先减小后增大的趋势,耗气量随着管路载液量的增加而降低;流量与诱导时间、耗气量呈负相关关系,随着体系流量增大,诱导时间缩短、耗气量减小。在2. 8 MPa-7 L的实验体系下,质量流量从20 kg/min增加到28 kg/min,诱导期从25 min缩短到18. 4 min,缩短26. 4%,而流量为20 kg/min时的耗气量是28 kg/min的2. 7倍。研究结论可在一定程度上为CO_2水合物的工业应用提供参考。     

CO_2水合物生成的影响因素研究

在体积350 m L的恒容反应釜中研究了CO2水合物的生成过程,实验考察了搅拌速率、温度和压力等因素对CO2水合物生成过程的影响。实验结果表明,相对静止条件下机械搅拌可以通过促进传质传热,加速CO2水合物生成过程。随着搅拌速率的增大,CO2水合物的平均生长速率从0.283 mmol/min增大到1.132 mmol/min,且搅拌速率为800 rpm时实验条件下的水合物的诱导期最短;不同实验温度(273.65 K,274.15 K,275.15 K,276.15 K)下,CO2水合物生成过程中的溶解速率、诱导期及反应速率变化不大,即受温度影响不明显;CO2水合物的生长受压力影响明显,增压可显著缩短诱导期、加快反应速率。水合物生长过程主要受客体分子浓度的影响,是动力学控制过程。3 MPa时CO2水合物的平均生长速率高达1.1 mmol/min,是2 MPa时的5倍。     

喷雾式天然气水合物储气系统的实验研究

利用自行设计的喷雾式天然气水合物储气实验系统,研究了喷雾强化措施下的水合物制备所形成水合物的形态特征,考察在不同初始压力和初始温度条件下水合物形成过程的压力变化特性及其对水合物生成速率和生成量的影响,并且分析和比较了间歇进气与连续进气两种不同进气方式下水合物的生成特性.实验结果表明,初始压力越高、初始温度越低,反应生成水合物的速率越快,生成的量越多;在进气方式比较方面,连续式进气生成水合物的速率比间歇式进气要快,能耗要低,因而连续式进气比间歇式进气具有更好的速率和效率.     

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。     

喷雾制取天然气水合物过程的特性

考虑到水的雾化可以有效提高气-水接触面积,有助于提高水合物生产速率,设计和建造了一个半间歇式雾流强化水合物实验装置,用于探索和揭示喷雾强化天然气水合物制备过程的基本特性,包括制备水合物的形态特征,形成过程中参数的变化规律,以及系统初始压力和初始水温度对形成过程诱导时间的影响.实验结果证明,在半间歇式反应器中,喷雾强化方式可以制取天然气水合物,并能有效地缩短水合物形成的诱导时间.水合物的制备过程中,喷雾的启动会引起系统内部压力有短暂的升高.     

冰点以下石英砂中二氧化碳水合物的生成特性

多年冻土区作为天然气水合物赋存的主要区域备受人们的关注,其常年较低的环境温度和复杂的地质条件使水合物的生成过程十分复杂,因而模拟冻土区环境条件进行水合物生成特性的研究具有重要意义.为了研究冰点以下多孔介质中二氧化碳水合物的生成过程的压力变化、生成速率、冰粉转化率等生成特性,在定容条件下,进行了初始生成压力为3、2.5和2MPa,温度为272.65、271.15和268.85K条件下二氧化碳水合物在多孔介质中的生成实验.研究结果表明:在相同的温度下,初始压力越大,反应速率越快,但初始压力对最终压力的变化幅度和冰粉的最终转化率影响不明显;在相同的初始压力下,温度越高,反应速率越快,最终压力的变化幅度越大,最终的冰粉转化率也越高.在本实验条件下,水合物生成速率最大为0.0000718mol·h~(-1),冰粉转化为水合物的比例最高为67.32%.     

蔗糖和凹凸棒石体系下抑制CO2水合物生成动力学研究

油气生产、储运及CO_2管道输送的过程中容易生成CO_2水合物,添加抑制剂是预防CO_2水合物生成的有效手段。采用蔗糖、凹凸棒石和蔗糖+凹凸棒石作为水合物抑制剂,利用可视化高压反应釜实验装置,在初始条件3 MPa和2℃下,研究其对CO_2水合物生成的气体消耗量、气体消耗速率、诱导时间和水合物生成量的影响。用压力变化法测定了CO_2水合物生成诱导时间,用动力学模型计算了气体消耗量和水合物生成量;并分析了蔗糖和凹凸棒石协同抑制CO_2水合物生成的微观机理。实验结果表明蔗糖有减少气体消耗量和水合物生成量的作用,凹凸棒石有延长水合物生成诱导时间和降低生成速率的作用,体系中同时存在蔗糖和凹凸棒石能展现出协同效应,抑制效果最佳的实验体系为30 g蔗糖+1 g凹凸棒石,较纯水体系的气体消耗量减少了18.8%,气体消耗速率峰值降低了60.9%,诱导时间延长了122.2%,水合物生成量减少了26.1%。以蔗糖+凹凸棒石作为水合物抑制剂效果良好,且经济环保。     

气液比对矿井瓦斯水合物生长速率的影响

为寻求瓦斯水合物快速生成的方法,研究了气液比对瓦斯水合物生长速率的影响。设定初始压力5 MPa、初始温度20℃,在复配溶液（0.1 mol/L四氢呋喃（THF）-0.2 mol/L十二烷基硫酸钠（SDS））体积相同的条件下,通过改变可视化反应釜的体积建立了四种气液比（40、60、80和100）反应体系。根据压力和温度与时间关系曲线和水合物生长速率的计算模型对实验现象与结果进行对比分析。结果表明：气液比的增大加快了气相-液相之间物质传递,提高了瓦斯水合物生长速率。四种气液比反应体系中瓦斯水合物生长速率分别为2.40×10^-6、3.10×10-6、3.64×10-6和4.39×10-6 m3/min。     

液化条件下多孔介质中CO2水合物的生成特性

基于水合物法的二氧化碳气体地层封存和固化技术是实现温室气体减排的有效方法之一。进行液化条件下多孔介质水合物的生成过程及其生成特性研究,有助于进一步丰富不同相态CO2的地层存储规律。为此,利用气体水合物生成与分解模拟实验装置研究了粒径分别为24目、32目、40目和60目四种不同的石英砂体系中多孔介质水合物的生 成过程,实验温度选定276.5 K,初始压力为4.85 MPa。结果表明：在液化条件下,水合物生成的诱导时间随多孔介质粒径的减小而缩短,并且当粒径减小到40目附近时,诱导时间将急剧减小,与32目的石英砂体系相比,此时诱导时间明显缩短超过2/3;多孔介质对水合物生成速率和储气量的影响较为显著且存在一临界粒径尺寸,在40目的石英砂介质中,液化条件下水合物的最大生成速率和储气量分别达到了12.35×10-4 mol/h 和30.599 L/L。     

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.     

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.     

影响水合物形成条件因素敏感性分析

针对天然气水合物的形成条件影响因素,通过实验测试手段,研究了天然气水合物形成时天然的组成、酸气含量、水的矿化度、醇类等各种因素对形成的压力温度条件的影响,通过大量的实验数据的得出：天然气的组成以及各组分的摩尔份数直接影响水合物形成的热力学条件,在一定的压力下,水的含盐量越高,水合物的生成温度越低。当天然气中含有CO2和H2S等酸性气体时,将提高水合物的生成温度和降低水合物的生成压力,特别是硫化氢的影响尤为显著。醇类和电解质体系对水合物的形成具有较大的抑制作用,相同浓度甲醇的效果优于乙二醇,相同浓度NaCl的抑制效果比CaCl2好。     

煤层存在瓦斯水合物的可能性

瓦斯气体在煤储层中的赋存状态主要有游离态、吸附态和溶解态.从瓦斯原始地质赋存条件分析了瓦斯水合物形成必需的物质条件和热力学条件,提出了其赋存的一个新的状态--瓦斯水合物态.利用水合物实验设备对合成瓦斯在2组含煤溶液体系中的生成过程进行研究,得到了瓦斯水合物生成的诱导时间、生成速度及生成时的热力学参数.将瓦斯赋存条件同实验模拟结果进行比较,结果表明:在中高纬度矿区的煤层中有瓦斯水合物自然存在的可能.若瓦斯自然赋存水合物态真实存在,其赋存区煤层应力场、温度场等将发生较大变化,这有利于降低煤矿瓦斯事故的发生频率.     

气体水合物生成特性实验研究

实验研究了添加剂对甲烷气体水合物形成过程的影响。发现微量的表面活性剂降低了甲烷气体水合物在静止反应器中形成的诱导时间，并使水合物快速形成和生长，提高了水合物形成过程中的填充密度。阴离子表面活性剂（十二烷基硫酸钠）对水合物生长的促进作用比非离子表面活性剂（烷基多糖苷）强。液态烃环戊烷降低了水合物形成的诱导时间，但环戊烷不能提高水合物的填充密度。     

超声波对CO2水合物生成过程的影响

CO2捕集、利用与封存（carbon capture utilization and storage, CCUS）是控制温室气体排放的重要途径之一,是实现碳达峰、碳中和目标的重要举措。为研究超声波对水合物法捕集CO2的作用效果,搭建了一套高压条件下超声波作用于CO2水合物生成实验装置。实验过程中超声参数设置为功率比70%、总作用时间8 min、每次作用时间8.0 s、间隙时间4.5 s。结果表明：超声可以大大促进CO2水合物的生成,其原因可能是超声能够增大气液界面传质系数、溶液过饱和度以及对溶液产生扰动并不断更新反应面积;在超声作用下,CO2水合物生长前期存在一个快速反应阶段,该阶段持续时间与驱动力成正比;此外,CO2水合物生成量和生长速率都与驱动力成正相关。     

水套炉的参数优化及自耗气降低技术研究

在集气工艺流程中设置水套炉是为了防止天然气节流降压时形成的水合物堵塞管道。由于现场操作水平较低,为防止水合物形成,水套炉出口的温度通常比水合物形成的最高温度高出很多,增加了水套炉的自耗气。通过对水套炉的研究,建立了一套计算水套炉合理加热温度和自耗气量的模型,利用该模型,对中原油田所有水套炉的运行情况进行了计算与分析,确定了不同季节的开启方案、需要的加热温度以及每年的自耗气量。结果表明,该方案不仅可以降低水套炉的自耗气,而且可以降低分离器的操作温度,从而达到降低烃露点和水露点、减少集气管线内的积液量、提高管输效率、降低清管次数、提高经济效益的目的。     

Experiment on Gas Hydrates Formation by Water Spraying

An experimental investigation of natural gas hydrate formation has been conducted in a high-pressure water spraying reactor,which is cooled by the circulation water through an external cooling jacket.The results show that the morphology of hydrates formed by water spraying is like ice-slurry,which depends on the initial pressure and temperature.At a certain reaction pressure,the rate of hydrate formation is increasing with lower temperature.And also,the induction time of hydrate formation can be greatly sho...