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.     

油基水基及部分分散体系水合物堵管机理

多相体系水合物堵管规律作为实现水合物风险控制的关键,一直备受流动安全保障行业的关注.本文结合众多研究者的实验研究及理论分析,总结了部分实验装置及实验方式,概述了油基体系、水基体系及部分分散体系等多相流动体系的水合物堵管规律,并对后续研究的开展提出建议.本文指出不同体系水合物的生长及堵管机理不同,油基体系堵管主要受聚并、壁面黏附及着床等机理的控制;水基体系堵管主要受着床机理控制,堵管趋势最低;部分分散体系堵管主要受膜生长机理控制,堵管趋势最高.建议下一步工作可围绕以下几点展开:油基体系壁面黏附及着床的理论建模,水基体系水合物生长模型的建立,部分分散体系自由水的量化表征以及考虑不同多相流流型对堵管规律的影响.     

高含硫天然气输送管道内硫沉积研究进展

高含硫天然气在管道输送过程中,随着压力、温度和气质组分等条件的变化,气相中发生过饱和溶解析出的硫分子会逐渐形核、生长成为固体硫颗粒随气流一起在管道内运移,并会沉积在管道内壁.管内沉积的硫颗粒将会堵塞和腐蚀管道,严重威胁高含硫天然气管道的输送安全.本文针对高含硫天然气输送管道内硫沉积问题,综述了近年来高含硫天然气中元素硫气固相平衡计算、硫颗粒生长动力学、含硫颗粒的气固两相管道输送方面的研究进展.指出在高含硫天然气集输过程中硫沉积预测及防治方面应坚持实验与理论相结合的研究手段,着重开展以下3个方面的研究:(1)充分考虑集输压力、温度条件下(P≤15.0 MPa,T≤333.15 K)硫溶解度极低的特点,建立硫溶解度测试实验装置,开展集输管道压力、温度范围内的硫溶解度实验研究;(2)采用微观分子动力学模拟与宏观热力学参数统计分析相结合的方法,建立硫颗粒的生长动力学模型,结合结晶动力学理论模型深刻揭示集输条件下硫颗粒的形核、生长与消融动力学规律;(3)综合考虑硫颗粒的生长、消融、运移、沉降规律与管道内压力、温度、气质组分、流速等参数的耦合作用,建立伴随元素硫气固相态变化和硫颗粒生长、消融的气固两相管输模型,定量描述高含硫集输条件下硫颗粒的析出、生长及其与高含硫天然气的气固两相流动规律,最终为集输管道乃至整个集输系统内硫沉积防治方法的确立提供技术与理论支撑.     

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.     

热力学与动力学相关性,科学与人文的统一

金属热加工通过相变决定材料最终组织和性能。随着非平衡技术的快速发展,热加工工艺趋于极端化和多样化,控制相变的热力学与动力学机制从简单近平衡条件下的相对独立转变为复杂远平衡条件下的高度关联。基于热-动力学独立处理的传统理论已无法应对上述相变涉及的机理描述、组织预测和过程控制。随着催化剂研究体系的扩展,传统的基于独立的反应动力学或吸附热力学的设计已无法满足催化剂的高性能需求与高效筛选。本文从人文领域中的激情与困难的逻辑关系中,引申出科学领域中的热力学驱动力与动力学能垒的相关性,针对非平衡凝固过程、晶界迁移及晶粒长大热稳定性、纯Fe沿Bain路径的马氏体切变,整理出热力学驱动力与动力学能垒的定量关联,建立了组织预测模型,提出了热-动力学协同作用的新理念,并据此设计出高性能DD3高温合金、Fe基纳米晶材料、A356铝合金和应变态电催化材料。     

微孔晶体的晶化

从宏观和微观角度简要总结了微孔晶体晶化过程及晶化机理的研究,包括微孔晶体的成核与晶体生长(宏观角度)、晶化机理的主要观点、结构导向效应、研究微孔晶体晶化的主要技术手段及最新的研究思路和策略(微观角度).借鉴于致密晶体晶化行为的研究,微孔晶体的晶化过程分为成核与晶体生长两个阶段.在成核阶段,提出了晶核可以从液相(液相成核)、固相(固相成核)或固液相(双相成核)中成核,后被统一为"通用"成核机制.在晶体生长阶段,研究主要集中于生长模式.受制于当前较低分辨率和灵敏度的表征手段以及合成体系的复杂度,人们对晶体的成核与生长机制的认识还存在着极大的争议.在微孔晶体的晶化过程及晶化机理研究中,一项重要的内容是通过特定的表征手段确认在晶化过程中生成的小结构单元,包括色谱、电喷雾质谱、原位和非原位核磁共振、紫外拉曼光谱等.结合实验数据和理论计算可以确定一些单靠实验数据不能确认的结构单元.在微孔晶体的晶化过程中,结构导向剂起到了极其关键的作用.本文简要总结了结构导向剂的种类和导向的典型结构.最后介绍了新近提出的"反向进化"法,该方法可用于研究在晶化的早期阶段生成的小结构单元及晶化起点的结构.     

羧基活化转化的机理及其在化学与生物体系中的应用

羧基活化转化反应是有机化学的重要问题之一,同时在生物体系中也广泛存在,研究其机理具有广泛的意义.本文结合相关物理有机化学和生物化学原理,用势能面图从动力学和热力学2方面对该过程的过渡态和中间体进行分析讨论,同时考查了缩合过程使用催化剂与否对该过程的影响,提出各种羧基活化转化反应机理的一般规律.结合这一原理对比了化学活化与生物活化的异同,并对其在不同体系中的应用进行了评述,以期对发展新型羧基活化方式与物理有机化学教学提供有意义的参考.     

镁基储氢材料的热力学和动力学*

金属和合金的吸放氢反应是储氢材料进行的基本物理化学反应。它应服从基本的热力学和动力学规律。为此,想要改善储氢材料的性能,研发新型的储氢材料就需要对此过程的理论和实验两方面作深入的研究。通过热力学和相图能估算储氢的能力,预估吸放氢的可能温度,但要使储氢材料变得切实可行,还需要靠动力学方面的工作。笔者从热力学和相图入手,研究了储氢材料的特征,分析了传统的动力学处理方法的缺陷,提出了新的动力学模型,从而将为寻求新型的储氢材料提供有效的工具。笔者还总结了从实验上探索的一些新型储氢体系。     

Nb/si多层膜中晶态硅化物的相演化

由于在电子元件和基础领域方面的应用,硅化物的形成问题近年来一直是人们十分关注的问题之一。近几年对许多金属/硅膜系统的低温退火行为过程中的相演化问题开展了广泛的研究,但在非平衡沉积过程中动力学和热力学因素对相选择和相形成的影响问题还没有搞清楚。长期以来,金属/硅系统在退火过程中的某一时刻只有单一相形成,但在近年来在许多单晶Si和沉积在其上的金属膜之间发现了多相共存的现象,而其原因还在探讨之中。     

水合物降压分解过程中沉积物孔隙结构动态演化规律

选取两种不同粒径分布的天然海砂样品,在相同实验温度及压力条件下合成甲烷水合物.开展水合物降压分解X-CT微观实验,获取不同时刻的沉积物内部构成图像.对X-CT扫描图像进行阈值分割、三维重建及拓扑等效等处理,建立不同粒径含水合物沉积介质不同分解阶段的三维孔隙网络模型,研究水合物降压分解过程中沉积物孔隙结构动态演化规律及其控制机理.研究表明,甲烷水合物微观分布非均质特征显著,分解过程开始于气-水合物接触的位置,分解初期水合物具有孔隙填充、颗粒胶结等多种赋存模式,而分解后期孔隙中主要赋存颗粒胶结型水合物.随着水合物饱和度的减小,不同粒径含水合物沉积物的平均孔喉半径、孔隙度、绝对渗透率以及两相共渗区宽度均不断增大,配位数、形状因子及束缚水饱和度逐渐减小.受水合物分解动力学行为影响,分解前期沉积物平均孔隙半径缓慢降低,水合物饱和度下降至某一临界值(小于0.1)后,平均孔隙半径和绝对渗透率急剧增大.粒径分布越窄,相同水合物饱和度下沉积物平均孔隙及孔喉半径、孔隙度和绝对渗透率越高,但不同粒径沉积介质配位数和形状因子的变化存在交叉点,表明含水合物沉积物微观孔隙结构特征受粒径分布、水合物微观赋存状态及空间分布的协同影响.     

高速轮轨系统动力学研究体系及其系统建模

随着列车运行速度的提高, 列车与线路、接触网等固定设备的相互作用加剧, 而且受到气流的强烈作用, 传统的车辆系统动力学研究方法已经无法精确描述高速列车的运动特征. 提出开展高速轮轨系统动力学研究, 总结分析了高速轮轨系统动力学的研究体系, 建立了考虑线路、列车、弓网和气流耦合的高速轮轨系统动力学模型, 并具体给出了各子系统的运动方程和各子系统之间的耦合关系式. 在此基础上, 建立考虑广义失效模型的高速轮轨系统动力学模型和服役仿真体系, 从而拓展了现有车辆系统动力学研究的范围和作用.     

基于功交互作用的耦合系统随机能量共振控制

分析了耦合系统与外界作用力的交互作用, 从做功与能量的角度提出了控制随机能量 共振的方法. 根据二维耦合Langevin 方程的随机动力学特性, 采用微观动力学和宏观热力学 方法, 建立了基于单一随机轨线的耦合系统的热力学关系. 通过调节施加于控制系统的周期 性外力, 定量刻画了作用于被控系统的输入力对耦合系统做功的大小与能量转换关系. 结果 表明, 控制信号能控制耦合系统与输入力和噪声之间的相互作用, 能有效地控制耦合系统的 随机能量共振.     

落管中Al-Cu-Fe合金的形核与过冷

自从在Al-Mn急冷合金中首次发现了具有5次对称性的二十面体三维准晶相以来,人们又在许多其它合金系中发现了该相及其它低维的准晶相.准晶的发现不仅极大地丰富了人们对固体微观结构的认识,而且这些新相的结构和性质等也有相当的研究价值,因此引起了许多研究者的广泛兴趣.10年来,对准晶的研究已经取得了相当丰硕的成果.但是,除了少数合金系中的准晶相是稳定相以外,大多数准晶相都是由快凝方法制备的亚稳相.     

单晶碳化硅和蓝宝石基片化学机械抛光的表面反应层形成机制的研究进展

碳化硅和蓝宝石单晶是重要的空间光学材料,也是高亮度发光二极管用的主要衬底材料,实现它们的高质量化学机械抛光(CMP)加工,需要深入理解高化学稳定性衬底材料的超光滑加工过程的材料去除机制,其中一个具有挑战性的问题是力学-化学耦合作用下表面反应层的形成机制.本文评述了反应层形成机理的研究进展和存在的若干问题,包括表面反应层形成的热力学机理和动力学行为、CMP加工模型晶片体系的建立、表面反应层的结构和组成表征、研究结果可比性等,并提出了若干后续研究的突破点,如设计和建立表面结构可控的CMP加工模型晶片体系,并确定表面层形成的化学反应速率来解耦合化学反应过程和扩散过程.本文特别强调了多学科交叉研究方法的重要性,建议密切结合材料的表面结构及缺陷的控制和表征、表界面结构和组成分析、化学反应机理研究以及表面和胶体化学的表界面作用力测量研究.     

利用纳米粒子强化微乳液体系HCFC141b 水合物的生成

快速有效的促晶方法是实现气体水合物蓄冷技术的关键. 从增大一氟二氯乙烷(HCFC141b)和水的互溶度和相界面出发, 制备了HCFC141b 微乳液, 对比研究了HCFC141b微乳液和HCFC141b/水粗混合体系中的HCFC141b 水合反应诱导时间和过冷度, 分析了水合物生长特征; 在此基础上利用纳米粒子强化传热的特点, 考察了混合体系中添加纳米Cu 粒子和纳米Al₂O₃ 粒子对水合反应的影响. 结果表明, 微乳液体系内快速均匀地生成大量水合物晶体, 水合反应诱导时间比在乳浊液和不含表面性剂的粗混合体系中分别缩短36%和52%. 将纳米粒子加入微乳液体系可降低反应过冷度, 但是对粗混合体系和乳浊液中的反应过冷度无影响. 微乳液体系内添加0.1 wt%纳米Cu 粒子后水合反应诱导时间缩短29%, 过冷度降低39%.将微乳液体系和纳米粒子相结合形成的纳米流体可有效促进制冷剂气体水合物的生成.     

柔性链高分子折叠片晶界面相的观测与讨论

柔性链高分子形成的半结晶聚集体中,长链大分子以有规折叠方法生成大量微小片晶与无规链形成的非晶相共存.由这种结晶与非晶所组成的两相结构模型已被广泛接受并用来描述其凝聚态结构与物性.我们曾对经不同方法制作的聚乙烯(PE)的结晶形态进行研究,都显示出微晶均为折叠链片晶,厚度从10～100nm,分子链轴与片晶面垂直.从有规排列的结晶区域到完全无规链的非晶区域间,应还存在一过渡区域或者界面区域,其分子链的形态及     

温度对成品油管道顺序输送过程的影响研究进展

温度梯度是传热传质过程的动力来源之一,顺序输送本质上是传热与流动、传质的耦合过程.当前,对混油拖尾现象、与热力耦合的调度方法、管内三维传热传质模拟、考虑油品质量潜力的批次跟踪的相关研究中大多未考虑温度的影响也未阐明温度的作用机制.本文总结了未充分考虑温度影响的管输油品相关研究(混油、调度、热油管道、批次跟踪)的现状和局限性.评述了考虑温度对混油机理影响、温度对管输过程流动传热传质影响的国内外研究成果,并梳理了相关的实验研究.最后指出了水热力耦合的调度、考虑温度影响的反常扩散、可压缩多相紊流的三维数值模拟、复杂管道中的批次跟踪是该领域今后研究的关键问题和发展方向.     

乙醇HCCI燃烧化学反应动力学模型的建立

根据乙醇燃烧化学动力学机理和热力学数据.并利用实验数据进行了对比,为实验研究提供了重要的、有价值的参考.     

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.     

超冷量子费米气体研究与应用简介

强相互作用的超冷费米气体是研究复杂多体强关联物理的理想系统,可以用来研究高温超导超流、夸克-胶子等离子体、中子星以及宇宙的早期演化等多体强关联物理。通过精确控制原子间的相互作用以及外加的俘获势,可以探索超冷量子物质的奇异物相,研究强耦合系统中的量子非平衡热力学、超冷碰撞和多体物理。文章介绍了华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室超冷量子气体研究组近期在标度不变的费米气体中的一些研究进展,如Efimovian膨胀动力学等新奇动力学和多体量子热机等。