天然气水合物在喷雾装置中的制备

采用雾流强化实验装置对天然气水合物的合成进行实验研究,发现该方法能增加气-水接触面积、强化传热传质以及加速水合物生成.实验数据验证了反应压力与系统过冷度是水合物快速形成的重要影响因素.当反应温度一定时,初始压力越大,反应压降速率越大;过冷度越大,对应的压降速率越大.     

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。     

谷氨酸阴离子和晶种对晶体成核与生长的影响

研究了谷氨酸阴离子（Ｇ－）和晶种对其晶体二次成核与生长的影响．结果表明成核速率随晶种粒度和晶种量减少而减少；在高过饱和度时Ｇ－对成核有促进作用，而在低过饱和度时则有抑制作用；晶体生长速率随粒度减小而增大；Ｇ－对晶体生长有抑制作用；结晶时使用粒度小的晶种可得到粒度分布较均匀的晶体．     

R134a气体水合物蓄冷实验

空调蓄冷是实现电网"移峰填谷"的重要手段.为缩短蓄放冷时间,以R134a为工质,在气体水合物蓄冷循环中加入引射器,研究结果表明:引射器增强了水和R134a气体的混合,在引射器内生成了部分水合物晶核.与无引射循环相比,水合物的成核过冷度降低约2～4 ℃,水合物的生成时间缩短13%～25%,获得了较好的蓄冷效果.并提出"热势"理论对实验现象进行解释,采用引射器后,水合物形成需要的"热势"降低,从而使水合物的成核过冷度和形成时间有明显降低.     

天然气水合物分解-两相渗流数值模拟研究

为揭示天然气水合物试采工程中储层物理参数演化规律,建立了耦合化学分解和气、水两相渗流物理场的数学模型,并采用有限单元法进行求解,对不同降压幅度、初始绝对渗透率和含水饱和度等影响下的储层物理参数的时空演化规律进行研究。结果表明:井筒开始降压后,井周迅速形成压降漏斗,压降辐射范围随时间逐渐增大,且水合物分解范围和压降范围呈现明显的一致性;井筒降压后短时间内产气速率达到峰值,该峰值随降压幅度和初始绝对渗透率的增大而增大,随初始含水饱和度的增大而减小;水合物分解速率和渗透率增大速率与降压幅度和初始绝对渗透率成正相关,与初始含水饱和度成负相关。     

超临界CO2沉析HMX过程中过饱和度与颗粒尺寸的关系

用超临界CO2在丙酮溶液中沉析环四亚甲基硝胺(HMX),研究了溶液过饱和度与沉析颗粒尺寸及粒径分布之间的关系。结果表明：用超临界CO2沉析HMX,可在短时间内产生很大的过饱和度。当温度33～50℃,压力5．5～12．0MPa时,在前几分钟内,溶质HMX的浓度快速下降从而在短时间内产生很大的过饱和度。依据吉普斯能传统结晶理论估算了在一定过饱和度下的成核速率。过饱和度愈大、成核速率愈大,沉析的HMX颗粒度愈细。当过饱和度在短时间内形成并导致大量成核快速消耗过饱和度时,可以得到粒度更细,分布更窄的HMX颗粒,如33℃、12．0MPa时,能得到粒径5．1～7．1μm窄分布的HMX细颗粒。     

驱动力对瓦斯气体水合物成核诱导时间的影响

为探寻多组分瓦斯混合气体水合物成核分布规律,依据Sloan水合物相平衡软件计算驱动力,运用可视化实验装置开展不同驱动对多组分瓦斯混合气体水合物成核诱导时间的影响。当多组分瓦斯混合气体G,和G,分别在20、18和16℃的温度时,测定瓦斯水合物的成核诱导时间。结果表明：多组分瓦斯混合气水合物生成的诱导时间随反应体系驱动力的增大而缩短,且呈指数趋势减小;多组分瓦斯混合气中重烃的含量会影响水合物的含气量,且在相同的实验条件下混合气中的重烃含量越高,水合物的含气量越高;多组分瓦斯混合气水合物诱导时间还受到气体组分浓度的影响,其中重烃的浓度越高,水合物生成的诱导时间就越短。驱动力的变化对重烃含量较高的混合气水合物生成诱导时间影响较小。     

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。     

悬垂水滴表面天然气水合物的传热生长模型

在气体水合物生成动力学的研究基础上,基于天然气水合物的喷雾法制备,对悬垂水滴形成天然气水合物的过程进行分析,建立了受传热控制的水合物生长模型,并对模型作了求解与讨论.结果表明未反应的水滴达到相平衡温度的时间随水滴半径的减小而减小,随过冷度的增大而增大;达到相平衡温度后水滴的反应时间随过冷度的增加而减小,但与水滴尺寸的变化无关.水滴达到相平衡温度的时间很短,而随后的水合反应持续时间较长,缩短水滴到达相平衡温度后的反应时间可明显加速水滴的水合过程.     

碳钢在二氧化碳溶液中腐蚀影响因素的研究

研究了碳钢在二氧化碳饱和溶液中各种因素对腐蚀的影响。研究结果表明腐蚀速率随CO₂压力的升高而增大;温度在60℃时腐蚀速率最大;钙离子的存在减缓了腐蚀;当NaCl质量浓度等于30g/L时,腐蚀速率最大;Mg²⁺和SO_4^2-离子对腐蚀速率影响不大。     

氧化石墨烯纳米流体过冷度及非均匀成核条件研究

为研发过冷度低的相变蓄冷材料,降低冰蓄冷系统的能耗,实验测试了5种不同浓度的水基氧化石墨烯纳米流体的过冷度,并采用非均匀成核理论计算了在氧化石墨烯纳米薄片上的成核条件。实验结果表明,跟去离子水相比,各种浓度纳米流体的过冷度均受到了极大抑制,最大可降低69.1%,而且成核时间也大大缩短。理论计算表明:在单层氧化石墨烯纳米薄片的侧面(厚度)上成核需要很大的过冷度,只有当纳米薄片的重叠层数达到6层以上或重叠后的厚度超过6nm时,有效成核对应的过冷度才接近本实验条件下氧化石墨烯纳米流体的最大过冷度;要在纳米薄片的上下表面成核,过冷度与纳米薄片边长的乘积必须大于或等于2.446×10-8 m·K,借助纳米薄片的粒径分布和过冷度实验结果,验证了氧化石墨烯纳米流体满足这一成核条件。研究结果表明,氧化石墨烯纳米薄片可以作为降低相变材料过冷度的成核剂,对冰蓄冷和快速制冰行业具有重要的指导意义和实用价值。     

DSC法研究Ge熔体的过冷及凝固

将DSC技术与助熔剂(B₂O₃)处理技术相结合, 实现并准确测量了Ge熔体的过冷现象. 利用该方法, 实验得到Ge熔体的最大过冷度为190 K. 在实验冷却速率范围内(5~40 K/min), 冷却速度越大, 过冷度越大. 在冷却速率一定的情况下, 所达到的过冷度随熔体过热度的增大而增大, 并逐步趋向于常数. 研究了过冷Ge熔体的凝固现象, 分析了Ge熔体的非等温结晶过程, 冷却速率越大, 则试样完全结晶所需时间越短.     

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。     

葡萄糖醛酸内酯结晶过程研究

采用静态平衡法测定葡萄糖醛酸内酯在水中4～50℃下的溶解度;采用激光光强分析法,测定在不同降温速率下葡萄糖醛酸内酯在水溶液中的介稳区,降温速率为15,℃/h时,过冷度约为10,℃;降温速率为5,℃/h时,过冷度约为5,℃.在不同温度下,葡萄糖醛酸内酯溶解度及其温度敏感性存在差异,葡萄糖醛酸内酯的介稳区宽度随着降温速率的改变而不同,降温越快,介稳区越宽.采用MSMPR稳态法建立了葡萄糖醛酸内酯在水中的结晶动力学模型:成核速率B0=2.53exp(?2.8 1×10 4/RT)S 0.9 9M T1.45,R=0.92;生长速率G=2.80×10?7 exp(?2.96/RT)S1.42,R=0.93.     

饱水度对水泥净浆成核温度的影响规律研究

通过制备不同饱水度水泥净浆试件并记录每次冻融循环过程中试件内部温度变化,研究饱水度对水泥净浆成核温度的影响规律.结合压汞法得到的水泥净浆孔结构分析冻结过程中可结冰孔孔隙率的变化.研究表明:在温度范围为-40～4℃的冻融循环过程中,饱水度在76%～100%范围内,水泥净浆平均成核温度随饱水度的降低而降低,当饱水度低至68%时,没有出现成核温度.当饱水度大于92%时,成核温度升高幅度尤其增大.在冻结过程中,可结冰水含量是关系到成核温度的关键,受温度和饱水度影响,用可结冰孔孔隙率表示.可结冰孔孔隙率随着温度的降低而增大,当温度降低到一定值之后,可结冰孔孔隙率趋于恒定,饱水度越大,该定值越大.在温度降低的过程中,水泥净浆的可结冰水含量越大,冰核越容易形成.     

水汽在细微颗粒表面异质核化数值分析

建立蒸汽在同时含有不溶物质与可溶成分的粗糙颗粒表面核化特性数值实验平台,对水汽异质核化晶核形成自由能、成核速率、成核几率、成核临界饱和度、平衡水汽饱和度进行数值分析.结果表明:可溶性盐含量对成核自由能势垒、成核临界饱和度无影响,但对晶核越过自由能势垒进一步长大过程自由能及平衡水汽饱和度影响显著.用自仿射分形理论描述粗糙颗粒表面,将表面粗糙程度与接触角联系起来,研究发现:颗粒表面粗糙度降低了成核自由能势垒,引起成核速率与成核几率迅速增大,成核临界饱和度降低,而对晶核进一步长大过程中水汽的平衡无明显影响.较高的可溶性盐含量有利于核化液滴的长大;颗粒表面越粗糙,越易于核化.     

天然气水合物生成动力学机理的研究

对天然气的气一水体系进行了研究，提出了一种新的天然气水合物生成机理，认为水合物晶核的生长经历了溶解、水合物骨架形成、扩散和吸附4个阶段，很好地解释了水合物组成的不确定性．据此机理对水合物在成核以后生成的动力学方程进行了推导，引入了有效面积分率、压力指数、过冷度校正参数等，得到了气-水体系水合物生成的改进的动力学方程．用遗传算法对方程中的参数进行拟合的结果表明，由方程计算所得的水合物生成速率与实验结果的最大误差为15．9％，最小误差为1．6％，平均误差为9．6%，说明拟合结果准确。     

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。     

深过冷金属熔体中单晶形成的临界条件

将形核率和晶体生长速度对过冷金属结晶晶粒数的影响用过冷度统一起来，建立了过冷金属结晶晶粒数随金属热力学过冷度变化的理论关系。结果表明：过冷金属的结晶晶粒数随金属热力学过冷度的增大而减小，过冷度增大到一临界值后，过冷金属的结晶晶粒数减小到１；所得到的在过冷金属熔体中形成单晶的理论判据与有关实验结果完全吻合。     

液态Fe—Sb合金中枝晶生长规律研究

液态Fe-10％Sb合金在熔融玻璃净化和自由落体实验条件下,分别达到429K（0．24TL）和568K（0．32TL）过冷度．深过冷并没有改变合金的相组成,快速凝固组织中只有αFe单相固溶体．熔融玻璃净化实验研究发现,αFe枝晶生长速度随过冷度呈指数函数变化．当过冷度△T〈296K时,枝晶生长速度随过冷度增大而升高,并在296K过冷度处达到极大值1．38m／s．若合金过冷度进一步增大,αFe枝晶生长速度则呈现降低趋势．枝晶生长形态演变的主要规律是,小过冷条件下αFe相以粗大枝晶方式生长,而深过冷合金熔体中形成蠕虫状枝晶．溶质截留程度主要取决于实际枝晶生长速度而不是过冷度大小,同时也与冷却速率相关．由于其结晶温度间隔比较宽大,尽管快速枝晶生长显著抑制了溶质偏析,但是Fe-10％Sb合金仍难以实现完全无偏析凝固．