甲烷水合物生成的静态强化技术

【摘要】：水合物技术可以应用在天然气储运、二氧化碳捕获与封存、海水淡化、混合气分离以及蓄冷等领域。然而，水合物生成时缓慢的传质与传热过程已经成为水合物技术应用的一大障碍。传统的机械扰动、添加简单结构导热填料的方法能够较好的在传质或传热上促进气体水合物生成，但机械扰动要引入更多的能耗和设备，简单导热填料的换热效率低。鉴于此，本文从强化传质与传热两方面探索利于水合物高效生成的静态体系，以甲烷为存储对象，研究甲烷水合物在静态体系中的生成特性。 向纯水中引入疏水性纳米二氧化硅，并高速搅拌分散成具有高比表面积的“硅包水”型水微滴——干水。分散性能优异的干水能够增强水合体系的气-液接触，降低水合诱导时间，促进甲烷水合物快速生成，并提高储气量。但干水经低温水合-升温分解后，其自身“硅包水”的微滴结构被破坏，水从二氧化硅的包囊中溢出、聚集，并形成连续的液态水，使干水的分散性变得很差，基本丧失再次储气的功能，不具有可逆储气的前景。 向纯水中加入结冷胶形成胶冻，再与疏水性纳米二氧化硅在搅拌器中混合分散，制备成一种有支撑结构的改性干水微滴——凝胶干水。凝胶干水继承了干水良好的分散性，能够强化水合体系的气-液接触，加速水合反应，并保持较高的储气量，而且被凝胶支撑的水微滴经水合-分解后的粘连程度比干水低，储气结束后能够保持一定的分散性，可以比较稳定的储气4~6次，但其储气量和储气速率存在一定的衰减。与干水储气性能相比，凝胶干水的一次储气量和最大储气速率都低，主要是由于被结冷胶支撑固定的部分水不易参与水合反应所致。 向浓度0.03wt%的十二烷基硫酸钠（SDS）溶液中引入不同质量比例的疏水性纳米二氧化硅，在搅拌器中分散成另一种改性干水微滴——SDS干溶液。SDS干溶液不仅具有干水的高度分散性，而且每个微滴又具有SDS溶液的表面活性，该体系能够从宏观和微观两方面促进水合体系的气-液接触，提高甲烷水合速率和储气量。不同硅含量的SDS干溶液分散效果不同，但各自的储气速率与同浓度的SDS溶液的水合储气速率相当，比同浓度的SDS溶液储气量高。硅含量7.5wt%的SDS干溶液分散效果好、含水量高，对甲烷的储存量最高，与相同硅含量的干水储气量相当，但比干水储气速率高约1倍。因此，SDS干溶液在促进水合物储气过程中，结合了干水与表面活性剂溶液各自的储气优势，但其储气后也会出现类似干水结构被破坏的现象。 将多孔泡沫铝浸入到浓度0.03wt%的SDS溶液中，其丰富的金属表面可以将水合过程中的热量快速疏导出去，使含泡沫铝的SDS溶液储气速率比单纯的SDS溶液储气速率更大。泡沫铝对SDS溶液水合储气速率的提高率随操作压力的增加而降低，而且对于水合压力推动力过小而不易水合储气的SDS溶液，泡沫铝的加入还有促进水合物成核的作用，主要归功于其粗糙的金属表面能够提供水合结晶点。用填充相为球形的两相复合模型计算甲烷水合物-泡沫铝“复合材料”的导热系数后发现，其有效导热系数是纯甲烷水合物导热系数的132倍。 将干水和凝胶干水分别填充到高孔隙率的泡沫铜中，导热性优异的泡沫铜金属骨架可以将两个水合体系中的水合热及时疏导出去，使含泡沫铜的干水或凝胶干水体系比各自不含泡沫铜的体系储气速率高。泡沫铜对两个分散体系最大水合速率的提高率随着压力的增加而变大。虽然泡沫铜有稳定的金属网络骨架，但对干水或凝胶干水体系均没有支撑作用，两个体系的水微滴也分别会出现类似于干水和凝胶干水储气后粘结、聚集的现象，而且这种现象比单独的干水或凝胶干水体系更严重，使两个体系的再次储气性更差。 以上几个静态水合体系通过强化气-液接触（传质）或强化水合热快速导出（传热）或二者同时强化，促进了甲烷水合物生成，提高了水合储甲烷量，对水合物的大规模生产具有重要的指导意义。 【关键词】：甲烷水合物 生成 静态强化 气-液接触 水合热移除
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TE82
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-19
• 第一章 绪论19-47
• 1.1 气体水合物简介19-22
• 1.2 气体水合物技术22-28
• 1.2.1 气体水合物技术应用22-28
• 1.2.2 气体水合物技术存在的问题28
• 1.3 气体水合物生成28-34
• 1.3.1 水合物成核30-32
• 1.3.2 水合物生长32-34
• 1.4 水合物生成强化技术34-45
• 1.4.1 动态强化技术35-40
• 1.4.2 静态强化技术40-45
• 1.5 本论文的研究思路45
• 1.6 本论文的研究内容及创新点45-47
• 1.6.1 研究内容45-46
• 1.6.2 创新点46-47
• 第二章 干水和凝胶干水中甲烷水合特性47-81
• 引言47-48
• 2.1 实验原料及设备48-52
• 2.1.1 实验原料及试剂48-49
• 2.1.2 实验设备及仪器49-52
• 2.2 实验过程52-54
• 2.2.1 干水和凝胶干水的制备52-53
• 2.2.2 干水和凝胶干水储甲烷53-54
• 2.3 水合物储气过程评价54-57
• 2.3.1 水合物储气量54-56
• 2.3.2 水合物储气速率56
• 2.3.3 水合物储气可逆性56-57
• 2.4 实验结果与分析57-79
• 2.4.1 干水和凝胶干水分散效果57-59
• 2.4.2 干水和凝胶干水形成过程分析59-61
• 2.4.3 干水和凝胶干水变压储甲烷性能61-71
• 2.4.4 干水和凝胶干水重复储甲烷性能71-75
• 2.4.5 干水和凝胶干水强化气-液接触分析75-79
• 2.5 本章小结79-81
• 第三章 表面活性剂干溶液中甲烷水合特性81-95
• 引言81
• 3.1 实验原料及设备81-82
• 3.1.1 实验原料及试剂81-82
• 3.1.2 实验设备及仪器82
• 3.2 实验过程82-83
• 3.2.1 表面活性剂干溶液的制备82
• 3.2.2 表面活性剂干溶液储甲烷82-83
• 3.3 水合物储气过程评价83
• 3.4 实验结果与分析83-93
• 3.4.1 表面活性剂干溶液硅含量83-86
• 3.4.2 表面活性剂干溶液形成过程分析86
• 3.4.3 表面活性剂干溶液储甲烷性能86-91
• 3.4.4 表面活性剂干溶液强化气-液接触分析91-93
• 3.5 本章小结93-95
• 第四章 表面活性剂溶液+泡沫铝体系中甲烷水合特性95-111
• 引言95-96
• 4.1 实验原料及设备96-97
• 4.1.1 实验原料及试剂96-97
• 4.1.2 实验设备及仪器97
• 4.2 实验过程97-98
• 4.2.1 泡沫铝孔隙率的测量97-98
• 4.2.2 表面活性剂溶液+泡沫铝体系储甲烷98
• 4.3 水合物储气过程评价98
• 4.4 实验结果与分析98-110
• 4.4.1 泡沫铝孔隙率的确定98-99
• 4.4.2 表面活性剂溶液+泡沫铝体系储甲烷性能99-104
• 4.4.3 甲烷水合物-泡沫铝复合相有效导热系数104-108
• 4.4.4 泡沫铝强化甲烷水合热移除过程分析108-110
• 4.5 本章小结110-111
• 第五章 干水/凝胶干水-泡沫铜体系中甲烷水合特性111-131
• 引言111
• 5.1 实验原料及设备111-113
• 5.1.1 实验原料及试剂111-112
• 5.1.2 实验设备及仪器112-113
• 5.2 实验过程113
• 5.2.1 泡沫铜孔隙率的测量113
• 5.2.2 干水/凝胶干水的制备113
• 5.2.3 干水/凝胶干水-泡沫铜体系储甲烷113
• 5.3 水合物储气过程评价113
• 5.4 实验结果与分析113-130
• 5.4.1 泡沫铜孔隙率的确定113-114
• 5.4.2 干水-泡沫铜体系变压储甲烷性能分析114-119
• 5.4.3 干水-泡沫铜体系重复储甲烷性能分析119-121
• 5.4.4 凝胶干水-泡沫铜体系变压储甲烷性能分析121-126
• 5.4.5 凝胶干水-泡沫铜体系重复储甲烷性能分析126-128
• 5.4.6 泡沫铜强化水合热移除128-130
• 5.5 本章小结130-131
• 结论与展望131-135
• 参考文献135-151
• 攻读博士学位期间取得的研究成果151-153
• 致谢153-155
• 附件155

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