粉土中CO2水合物的稳定性条件

测定纯CO2水合物和干密度为1.40、1.50、1.65g·cm-3粉土中CO2水合物的稳定性条件。通过实验数据的对比分析,表明了粉土孔隙效应对CO2水合物稳定性条件具有重要影响,较于纯水合物,粉土中水合物稳定性压力更高、温度更低。另外,比较了不同初始分解温度下1.50 g·cm-3粉土中CO2水合物的稳定性条件,证明了水合物初始分解温度会对沉积物中水合物的稳定性条件测定产生影响。最后,基于修正的van der Waals-Platteeuw热力学模型对干密度为1.65 g·cm-3粉土中CO2水合物稳定性条件进行分析,发现毛细效应对水合物稳定性条件的影响程度不是恒定的,随着水合物的分解,孔隙毛细效应逐步减弱,对水合物的稳定性条件影响逐渐减小。

水冷压缩式CO2水合物蓄冷系统的蓄冷特性实验研究

本文实验研究了初始充注压力为3.5~4.0 MPa时水冷压缩式CO2水合物蓄冷系统的蓄冷特性,通过实验数据计算蓄冷量和蓄冷速率。结果表明:高充注压力具有更好的蓄冷特性,原因在于充注压力越高,反应釜入口干度越小,单位质量CO2携带的冷量越大。在初始充注压力为4.0 MPa时,蓄冷特性最好:蓄冷时间最短(11.33 min),平均蓄冷速率最高(5.19 kW),水合物生成质量最多(3.96 kg),水合物蓄冷量占总蓄冷量比例最高(57%);在初始充注压力为3.5 MPa时,蓄冷特性最差:蓄冷时间最长(37.50 min),平均蓄冷速率最低(1.07 kW),水合物生成质量最少(1.58 kg),水合物蓄冷量占总蓄冷量比例最低(34%)。与风冷压缩式蓄冷系统相比,水冷压缩式蓄冷系统水合物生成质量增长率最高为38.6%,总蓄冷量增长率最高为13.24%。

基于压缩式循环的CO2水合物蓄冷系统SDS强化实验研究

本文基于压缩式循环原理,采用水冷式直接接触式蓄冷系统,研究了不同充注压力(3.5、3.6、3.7、3.8、3.9、4.0 MPa)和不同质量浓度(0.3、0.5、0.7、0.9 g/L)的十二烷基硫酸钠(SDS)溶液中,CO2水合物的生成特性和蓄冷特性。根据实验数据对蓄冷量、蓄冷速率和CO2水合物生成质量进行计算,结果表明:与未添加SDS的溶液相比,含有不同质量浓度的SDS溶液中,系统的预冷时间和蓄冷时间均缩短,水合物生成质量、总蓄冷量及平均蓄冷速率均有所提升,且随着充注压力的不断提高,系统的蓄冷性能也不断加强。当充注压力为4.0 MPa,SDS溶液质量浓度为0.5 g/L时,预冷时间(5.58 min)和蓄冷时间(10.92 min)达到最短。此时,系统的总蓄冷量(4021.2 kJ)、潜热蓄冷量(2476.8 kJ)、CO2水合物生成质量(4.95 kg)及平均蓄冷速率(6.14 kW)均达到最大值,即系统蓄冷能力达到最强,说明SDS对于本系统的CO2水合物蓄冷性能具有明显的强化效果。

高压流动体系CO2水合物生长动力学特性

为探明CO2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,CO2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;CO2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CO2水合物的工业应用提供参考。

氧化石墨烯作用下的CO2水合物生成化学亲和力模型

纳米颗粒氧化石墨烯(GO)作为一种环保高效的水合物生成促进剂,少量即可大大加快气体水合物生成速率,缩短诱导时间,增大耗气量,但是目前缺少模型来研究含有GO体系中气体水合物的生成。因此利用高压反应釜,研究了279.15~281.15K和4~6MPa条件下,质量分数为(10~500)×10-^6的GO对二氧化碳水合物生成的影响。实验研究表明GO可大大促进气体水合物的生成,相较于纯水体系,生成时间缩短79.7%~85.0%。此外根据化学亲和力理论推导并建立了在GO作用下的气体水合物生成动力学模型,并通过MATLAB软件编程,将实验数据与模型相结合,计算化学亲和力模型参数(tk、-Ar/RT)。将模型所得压力和耗气量与实验数据对比分析发现,模型所得数据与实验数据结果具有很高的一致性。

流动体系CO2水合物诱导时间影响因素敏感性分析

水合物诱导期是表征水合物生成过程的重要参数,借助高压可视水合物环路,以CO2和水为实验介质开展流动体系水合物生成实验,探究了初始压力、载液量、体系流量对诱导期的影响规律,并应用多因素分析法计算了各影响因素的敏感性大小。实验研究结果表明:①CO2水合物诱导期随初始压力的增大而缩短,在载液量9 L、泵速30 Hz的实验体系下,初始压力为2.5 MPa和2.8 MPa所对应的诱导时间分别为27.2 min和23.6 min,而3 MPa下诱导期仅为17.4 min,分别缩短了13.24%和26.27%;在7 L,30 Hz及8 L,30 Hz的实验下诱导期呈同样的变化趋势,高的初始压力能明显降低CO2水合物生成诱导时间。②诱导时间随着管路载液量的增加呈现先减小后增大的趋势。③在初始压力为2.8 MPa,载液量7 L的实验工况下,质量流量为20,25,28 kg/min所对应的诱导时间分别为25,22.5,18.4 min,即随着流量的增大诱导时间缩短。④通过对比不同影响因素的标准回归系数,发现实验流量对纯水体系CO2水合物诱导期起主导作用,初始压力的影响次之,载液量影响最小。

关于CO2水合物的合成与分离研究

CO_2是造成温室效应的主要气体之一,在以化石燃料为主要能源的背景下,大量CO_2直接排放,怎样降低空气中CO_2浓度,一直都是人们关注的焦点。以水合物的形式对CO_2进行深海填埋可能是一种行之有效的方法。我们通过研究CO_2水合物的连续动态合成与分离过程,寻求高效制备CO_2的途径。实验证明CO_2水合物可以在低于0.2℃,高于4.45MPa条件下稳定存在。有孔隙结构的介质能稳定水合物,延迟其分解。所以,理论上能把CO_2能填埋在400m以下的深海。有水时CO_2在多孔介质上的吸入/分解平衡不只限于温室气体的填埋,还可用于天然气和煤气的无管道运输和可燃冰的开采。对CH_4水合物的研究表明,在与纯水中形成水合物相比,多孔介质的存在能提高气体水合物的生成速率。碳纳米管(Carbon nanotubes,CNT)是一类新型材料,可用于CO_2水合物的生成,因此,本试验就是在水存在条件下,CO_2在碳纳米管上的连续动态合成与分解平衡进行了研究。

氧化石墨烯作为新型促进剂加速CO_2水合物生成实验

为了解决气体水合物生成速率慢、储气密度低、生成条件苛刻等难题，利用高压反应釜生成实验装置，探究了添加质量浓度为0．2g／L的氧化石墨烯对CO2水合物生成的诱导时间、气体消耗量及CO2水合物相平衡压力的影响，揭示了温度和压力的变化规律，与去离子水中CO2水合物生成实验进行了比较并分析了其促进机理。结果表明：①氧化石墨烯具有动力学促进和热力学促进的双重作用，能够加快CO2水合物体系的传热传质效率，促进气体溶解，提高成核速率和气体消耗量，降低相平衡压力；②与去离子水相比，氧化石墨烯体系下CO2水合物生成诱导时间缩短了74％～85％；③温度为6℃时，随着初始压力的不同氧化石墨烯均能提高气体消耗量，在4MPa时气体消耗量增长幅度最大，达17．2％，提高了水合物储气密度；④氧化石墨烯降低CO2水合物相平衡压力的最大降幅为20％。结论认为，该新型促进剂能够提高CO2水合物的生成速率和储气密度。

添加R141b促进剂的CO_2水合物法海水淡化实验研究

我国天然气中CO2的利用率非常低,净化过程中脱出的CO2主要是排放,不仅会污染大气,也在无形中损失了巨额的经济效益,因而我国陆地和海上酸性气田开发中加强对CO2的综合利用就显得尤为重要。CO2水合物法海水淡化是一种新型的海水淡化技术,主要是利用较易生成水合物的小分子物质与海水生成水合物晶体,固液分离后,分解水合物即可得到淡水,该技术目前在我国尚处于室内实验研究阶段。为了提高CO2水合物法海水淡化效率,在海水中添加R141b促进剂以加快CO2水合物的生成速度,利用研制的双釜海水淡化实验装置,探讨了R141b促进剂的添加比例及其对CO2水合物法海水淡化效率的影响,确定了该法的技术参数;通过测定水合物生成前后溶液的盐度及离子变化,探讨了CO2水合物法海水淡化的程度。结果表明:①R141b促进剂与海水的最佳体积比为1∶70,添加R141b后CO2水合物法海水淡化效率可提高3倍;②在一级和二级淡化水中,离子去除率平均分别可达58.7%和81.0%,而三级和四级淡化水的平均离子去除率则分别达到了94.8%和98.4%;③四级淡化水的各项离子浓度指标都优于饮用水标准。

纳米流体中CO_2水合物生成特性实验研究

在自行设计的小型气体水合物反应装置上进行了纳米流体中CO2水合物生成特性的实验研究,探讨了纳米粒子的种类、粒径和质量分数对CO2水合物生成特性的影响。研究发现,与纯水相比,纳米粒子Cu O和Si O2增加了CO2耗气量,但延长了气体水合物生成的诱导时间。金属纳米粒子Cu和金属氧化物纳米粒子Al2O3对CO2水合物生成的诱导时间和耗气量有明显改善。对不同粒径的Al2O3纳米粒子对气体水合物生成特性的研究发现,30 nm的Al2O3纳米流体对水合物生成特性影响最大。与纯水相比,0.1%-30 nm-Al2O3纳米流体中水合物生成的诱导时间缩短了76.9%,耗气量增加了23.2%。CO2水合物耗气量随着Cu粒子质量分数的增加先增加后减少。最后进行了纳米粒子对CO2水合物生成特性的影响的理论分析。

多孔介质中CO_2水合物饱和度与阻抗关系模拟实验研究

确定沉积物中天然气水合物饱和度是评估水合物资源、开发利用天然气水合物工作中的一项基础而关键的工作。利用青岛海洋地质研究所自主设计、研制的天然气水合物阻抗监测模拟实验装置,研究了CO2气体与去离子水在多孔介质中天然气水合物的生成与分解过程。指出:天然气水合物生成过程会使多孔介质阻抗增大;天然气水合物分解过程导致多孔介质阻抗减小。并且多孔介质的阻抗变化与反应体系的温度压力变化相互对应,能够体现天然气水合物生成与分解各阶段的特点。此外,还利用Archie公式,使用天然气水合物的阻抗值计算多孔介质中水合物的饱和度,得到了多孔介质中天然气水合物饱和度随反应时间的增长曲线。

气饱和含CO_2水合物砂的三轴压缩试验

在改造的高压低温三轴仪中采用过量气法制备了气饱和状态的含CO_2水合物砂样,并进行了三轴压缩试验。以水合物饱和度为指标对过量气制样法的可重复性进行分析后发现,受孔隙阻隔效应的影响,虽然利用高的初始水饱和度的砂样可以制成高的水合物饱和度的含水合物砂,但是制样的可重复性低;试验表明,采用过量气法制取水合物饱和度低于40%的含水合物试样的可重复性较好。三轴试验结果表明,含水合物砂的剪切和变形特性与水合物饱和度和净围压密切相关:随净围压的增大,试样的强度、刚度、塑性和压缩性都增大,随水合物饱和度的增加,试样的强度和刚度增加,塑性和压缩性降低;黏聚力随水合物饱和度的增加而增加,但摩擦角并没有明显的变化。

CO_2水合物海水淡化流程实验研究

利用自行研制的水合物海水淡化装置,进行了添加R141b的CO2水合物海水淡化技术研究,实现了不同级别的海水淡化,并初步探讨了不同流程海水淡化的经济能耗。实验结果表明,所得一至三级淡化水的多项离子浓度指标满足饮用水标准,四级淡化水的指标均优于饮用水标准。利用该技术得到137 mL盐度为4.5‰的淡化水,能耗为0.092 kWh,耗时11.5 h;而得到80 mL盐度仅为0.3‰的淡化水时,能耗则增加为0.743 kWh,耗时33 h。三级淡化流程产量较高,盐度较低,可在兼顾能耗的前提下得到纯度较高的淡化水,是该技术比较理想的淡化流程。

纳米粒子对CO_2水合物导热性能的影响

试验研究了不同种类(Al_2O_3、Cu、SiO_2)、不同质量分数(0.05%、0.1%、0.15%)及不同粒径(10、30、50 nm)的纳米粒子对CO_2水合物热导率的影响。结果表明温度为-5~5℃时,纯CO_2水合物热导率为0.553~0.5861W·m^(-1)·K^(-1),具有玻璃体的变化特性。分散剂SDBS的加入,可改善CO_2水合物-纳米粒子体系的导热性能。在相同的质量分数和粒径下,纳米Cu粒子对CO_2水合物热导率的增强作用最好,但综合考虑水合物生成特性和溶液悬浮稳定性,选用纳米Al2O3粒子较合适。Al2O3粒子粒径越小,水合物热导率越大,15 nm比50 nm纳米粒子体系中CO_2水合物热导率的增长率平均提高了12.7%。此外,CO_2水合物热导率随Al2O3粒子质量分数的增大而增大,质量分数由0.05%增加到0.15%时,水合物热导率的增长率由4.2%提高到8.2%。

CO_2水合物气体分子笼占据状态的第一性原理研究

以CO2水合物形式储存是值得研究的一种方法,其中,用CO2置换海底天然气水合物中的CH4,达到开采天然气水合物中CH4的目的,同时将CO2作为水合物永久储存于海底,可起到经济和环保双重作用.由于CO2水合物在工程应用以及科学研究中有着重要的价值,尽管人们对CO2水合物已有不少了解,但仍然诸多问题(例如小笼占据状态尚存在争议),有待进行深入的研究.利用第一性原理的密度泛函理论,对CO2水合物气体分子不同笼占据状态的能量进行计算,结果表明以CO2气体分子仅占据大笼的情形能量最低,从而证明了CO2气体分子仅占据大笼的情形是最有可能存在,与实验结果吻合,所得结论有参考价值.

表面活性剂对CO_2水合物生成影响的实验研究

通过实验研究了复合添加剂对CO2水合物生成条件的影响,选用十二烷基硫酸钠(SDS)和十二烷基苯磺酸钠(SDBS)以及两者的混合溶液(按1∶2的比例)作为实验用溶液,研究发现当采用质量浓度为255mg/L的SDS和SDBS复合添加剂溶液时,CO2水合物的相平衡点最低,最易生成,此时的溶液体系能很好的促进水合物生成,而且比单一的SDS溶液或者SDBS溶液体系下水合物的相平衡点都有所降低。

CO_2水合物浆固相分数的计算及其对流动特性的影响

CO2水合物浆做为一种新型的两相载冷剂,具有较高的相变潜热和合适的相变温度,在蓄冷领域有良好的发展前景。而明确水合物浆的物性参数及其计算方法是对其进行高效安全应用的基础。本文对CO2在水合物存在下的溶解度特性及其流变特性等计算方法进行了分析探讨,建立了CO2水合物浆固相分数的理论计算模型,并试验研究了不同固相分数下CO2水合物浆的流动特性,结果发现流速0.6～0.65m/s为流动特性的转折区域。在低流速时,CO2水合物浆的流变指数小于1,且随着固相分数的增大而减小。研究结果可为CO2水合物浆蓄冷技术的发展应用提供理论指导。

鼠李糖脂促进CO_2水合物生成实验

水合物法捕获CO_2具有储气密度大、分离精度高等优点。为解决水合物法捕获CO_2技术面临的反应速率慢等难题,实验研究了生物表面活性剂RL4型鼠李糖脂、混合型鼠李糖脂及离子液体[PIPS]DBSA对CO_2水合物生成相平衡压力、气体消耗量的影响规律。结果表明,上述试剂对CO_2水合物相平衡压力的影响受到温度及浓度的双重作用。RL4型鼠李糖脂、混合型鼠李糖脂和离子液体[PIPS]DBSA降低CO_2水合物相平衡压力最大幅度分别为15.8%,18.9%,14.3%,促进CO_2水合物生成最佳质量比均为500mg/kg。最后,计算了不同温度下各个最佳浓度化学试剂体系的CO_2消耗量,发现RL4型鼠李糖脂、混合型鼠李糖脂和离子液体[PIPS]DBSA均可有效增加水合物生成时的CO_2消耗量,且温度为279K时,各体系下气体消耗量增加效果最好,效果最佳的鼠李糖脂(混合型)溶液的增加幅度达到了37.7%,平均增幅为25.3%。

高压釜中加入复合添加剂的CO_2水合物生长实验研究

开发研究了一套研究水合物生长特性的装置,通过实验研究了复合添加剂对CO2水合物生成条件的影响,分别选用十二烷基硫酸钠(SDS)、十二烷基苯磺酸钠(SDBS)和两者的混合溶液作为实验用溶液。研究发现:当采用浓度为265mg/L的SDS和SDBS复合添加剂溶液时,CO2水合物的相平衡点最低,最易生成,此时的溶液体系能很好地促进水合物生成,而且比单一的SDS溶液或者SDBS溶液体系下水合物的生成条件都有所降低;认为高压釜金属壁面更有利于CO2水合物的生成,而且能及时散发水合物生成时的热量。

石英砂中CO_2水合物的储气实验研究

为研究CO2气体水合物在多孔介质中的储气量.在1.8L水合反应釜中放入粒径为150μm(24～32目)石英砂,记录CO2气体水合物的生成与分解过程.实验结果表明,480mL水和过量的CO2气体存在条件下,CO2水合物的最大储气量为3.078mol.