壓力擾動對丙烷水合物生成過程的影響

李金平 張學(xué)民 吳青柏，2 王春龍 焦 亮

1.蘭州理工大學(xué)西部能源與環(huán)境研究中心 2.中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所

1 研究簡況

近年來，氣體水合物的研究及其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大［1－4］，已從最初的石油、天然氣工業(yè)中水合物的形成預(yù)測與防治，擴(kuò)展到化工、能源和環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域。然而，由于水合反應(yīng)物通常不互溶，這導(dǎo)致水合物結(jié)晶的誘導(dǎo)期長、過冷度大、生成速率小。氣體水合物的快速生成與分解是水合物技術(shù)廣泛工業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵。因此，進(jìn)行氣體水合物的生成過程和生成特性的研究具有重要的意義。

添加攪拌［5］、表面活性劑［6］和晶種［7］是通常用來縮短誘導(dǎo)時間、降低過冷度、加速水合反應(yīng)的方法。還有很多學(xué)者發(fā)現(xiàn)溫度擾動會對氣體水合物的生成過程產(chǎn)生積極的影響。黃犢子等［8］利用溫度震蕩的方法研究了溫度驟降對水合反應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)系統(tǒng)溫度在263.15～277.15K之間周期振蕩時，可使已停滯的水合反應(yīng)在水的相變溫度附近繼續(xù)反應(yīng)。李剛等［9］在研究不同的降溫速度下CH4水合物的生成過程時發(fā)現(xiàn)，快速降溫條件下水合物核化情況好，更有利于水合物大量生長。另外，還有一些學(xué)者研究了攪拌、添加劑等因素對氣體水合物生成過程的影響。Jensen等［10］在研究不同攪拌速率下C3H8水合物的生成過程時發(fā)現(xiàn)，高攪拌速率可明顯地縮短水合物生成的誘導(dǎo)時間，增大生成速率。劉永紅等［11］研究發(fā)現(xiàn)，功率為116～800W的超聲波可促進(jìn)HCFC－141b水合物生成過程，降低水合物結(jié)晶過冷度。李金平等［12］在研究制冷劑水合物的靜態(tài)生成過程時發(fā)現(xiàn)，穿過兩相界面與試管側(cè)壁面相接觸的鐵絲可改變制冷劑水合物的靜態(tài)生長區(qū)域，加速水合反應(yīng)。劉勇等［13］研究發(fā)現(xiàn)磁場可改變HCFC－141b水合物的生長方向，縮短水合物生成過程的誘導(dǎo)時間，加快其生成過程。臧小亞等［14］研究發(fā)現(xiàn)3A篩粉可誘發(fā)水合物成核，提高四氫呋喃水合物的生長速率。祁影霞等［15］研究發(fā)現(xiàn)，在CO2水合物生成體系中添加一定體積比的水合物晶塊，不僅可以縮短水合物形成的誘導(dǎo)時間，還可以大大降低過冷度。目前，關(guān)于氣體水合物生成過程的研究主要集中在溫度梯度、降溫速率、溫度擾動等方面，而針對壓力擾動對氣體水合物生成過程影響的研究還未見報道。

2 實(shí)驗部分

2.1 實(shí)驗裝置

圖1 實(shí)驗裝置示意圖

圖1為實(shí)驗裝置示意圖，實(shí)驗裝置主要部分包括可視化高壓反應(yīng)釜、恒溫空氣浴、真空系統(tǒng)、溫度傳感器、壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)?？梢暬邏悍磻?yīng)釜為反應(yīng)系統(tǒng)的核心部分，釜體材料為不銹鋼，兩端帶有玻璃視窗，可觀察水合物的靜態(tài)生成情況；恒溫空氣浴由制冷機(jī)提供冷量，可控溫度范圍為－20～40℃，穩(wěn)定運(yùn)行時控溫精度為±0.1℃；真空系統(tǒng)采用2XZ－0.5型旋片真空泵（浙江黃巖黎明實(shí)業(yè)有限公司）來實(shí)現(xiàn)，可以將反應(yīng)釜抽真空至0.06Pa；溫度傳感器為Pt100四線制鉑電阻溫度傳感器（北京賽億凌科技有限公司生產(chǎn)），精度為±0.1℃，置于反應(yīng)釜內(nèi)兩相分界面處，用來測量水合反應(yīng)過程中的溫度；壓力傳感器（上海天沐自動化儀表有限公司生產(chǎn)）量程為0～1MPa，測量壓力精度為0.05%；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過安捷倫數(shù)據(jù)采集儀Agilent 34970A來實(shí)現(xiàn)。

2.2 藥品及試劑

藥品及試劑情況如表1所示。

表1 試劑列表

2.3 實(shí)驗過程及步驟

2.3.1 實(shí)驗步驟及過程

1）反應(yīng)釜經(jīng)氣密性檢驗后，利用實(shí)驗所用的C3H8氣體沖洗反應(yīng)釜，然后再將反應(yīng)釜進(jìn)行抽真空，連續(xù)重復(fù)2次。

2）向反應(yīng)釜內(nèi)注入210mL蒸餾水，至液面恰好沒過溫度傳感器，調(diào)節(jié)溫度控制系統(tǒng)，將水合反應(yīng)系統(tǒng)初始溫度保持在298.15K（每組實(shí)驗初始溫度相同），然后注入C3H8氣體，使反應(yīng)釜壓力達(dá)到0.51MPa左右。

3）待反應(yīng)體系溫度穩(wěn)定后，開啟恒溫空氣浴，對水合反應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行降溫，設(shè)定溫度下限為274.15K，在靜態(tài)條件下，觀察水合物的生成情況；使水合反應(yīng)體系保持100h，然后測量水合物層的厚度，計算水合物的生成速率。

4）采用與上述過程相同的方法，改變C3H8水合物生成過程中的氣體注入方式，進(jìn)行壓力擾動條件下C3H8水合物的生成實(shí)驗。

2.3.2 丙烷水合物的生成速率

丙烷水合物生成過程的生成速率（v）可通過下式［16］計算得到：

式中h為水合物層的厚度，mm；t為水合物生成過程的水合物反應(yīng)時間，h。

精準(zhǔn)扶貧，離不開扶貧資金。黑龍江本身財政支出有限，應(yīng)發(fā)揮社會各界的積極性，拓展扶貧資金來源，通過不同的激勵機(jī)制，發(fā)揮不同組織的作用，協(xié)同好社會各組織力量，加強(qiáng)各社會組織間的合作和聯(lián)系，提高其參與的積極性，促進(jìn)扶貧開發(fā)工作展開。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 實(shí)驗過程分析

圖2、3分別分別為無壓力擾動和有壓力擾動2種不同的條件下，靜態(tài)純水體系中C3H8水合物的生成過程圖像。在無壓力擾動條件下，實(shí)驗開始時向反應(yīng)釜中充入C3H8氣體，使反應(yīng)釜內(nèi)壓力達(dá)到0.51 MPa，在水合物生成過程中不再補(bǔ)充壓力；而在有壓力擾動時，充入C3H8氣體使體系壓力達(dá)到初始值，待體系壓力降低至穩(wěn)定后立即補(bǔ)充C3H8氣體，使反應(yīng)過程中體系壓力始終維持在0.51MPa。

氣體水合物的生成過程包括氣體溶解、誘導(dǎo)成核和水合物生長3個階段。在實(shí)驗過程中，水合物首先在氣液兩相界面上生成。由圖2、3可以看出，在反應(yīng)釜內(nèi)兩側(cè)及與溫度傳感器接觸的部分區(qū)域，水合物的生長較快，在此界面上，水合物沿分界面迅速生長。水合物的生成過程是一個放熱反應(yīng)，由于不銹鋼以及鉑電阻的導(dǎo)熱系數(shù)比較大，并且反應(yīng)釜兩側(cè)直接與外界環(huán)境接觸，通過導(dǎo)熱和空氣的對流換熱很快將水合物生成過程中產(chǎn)生的相變潛熱帶走，使得這帶走，使得這部分在整個反應(yīng)過程中時常處于過冷狀態(tài)，確保了水合物生成所需的溫度條件，使得水合物生長速率較快；同時，在氣液兩相界面處，水合物也相應(yīng)地在水相中垂直生長，但生長速率較慢，直至水合物完全生成。

3.2 實(shí)驗結(jié)果與討論

圖4、5分別表示在無壓力擾動和有壓力擾動下，靜態(tài)純水體系中C3H8水合物生成過程中溫度和壓力隨時間的變化曲線。溫度曲線表示C3H8水合物生成過程中溫度隨時間變化的曲線，而壓力曲線表示水合物生成過程中體系壓力隨時間變化的曲線。

圖2 無壓力擾動時靜態(tài)純水體系中C3H8水合物的生成過程圖像

圖3 有壓力擾動時靜態(tài)純水體系中C3H8水合物的生成過程圖像

圖4 無壓力擾動情況下溫度和壓力隨時間的變化曲線圖

圖5 有壓力擾動情況下溫度和壓力隨時間的變化曲線圖

在系統(tǒng)降溫的過程中，隨著環(huán)境溫度的降低，反應(yīng)釜內(nèi)溫度逐漸降低，直至降低至恒溫空氣浴設(shè)定的溫度下限值，體系溫度保持恒定為止，同時，體系壓力也逐漸下降。在無壓力擾動的情況下，向反應(yīng)釜內(nèi)充入C3H8氣體，使體系溫度達(dá)到0.51MPa，在降溫的過程中，隨著外界環(huán)境和反應(yīng)體系溫度的降低，體系壓力逐漸降低。氣體水合物的生成過程包括氣體溶解、誘導(dǎo)成核和水合物生長3個階段。在圖4中，由溫度和壓力曲線的變化可知，在實(shí)驗過程的前20h，屬于水合物生成過程的氣體溶解和誘導(dǎo)成核階段，溫度隨時間的變化曲線基本上呈直線，而由于氣體的溶解，壓力隨時間變化的曲線呈下降趨勢。隨著時間的推移，溫度隨時間的變化曲線分別在24h、45h、70h、93h處出現(xiàn)突變峰。由于氣體水合物的生成過程是一個放熱反應(yīng)。因此，溫度突變峰的出現(xiàn)意味著有水合物生成，這些點(diǎn)為水合物的快速生成點(diǎn)，同時受溫度的影響，體系壓力略有升高。

在有壓力擾動的情況下，待體系壓力降低至穩(wěn)定后，立即向反應(yīng)釜內(nèi)充入C3H8氣體，使體系壓力始終維持在0.51MPa。在圖5中，由溫度和壓力的變化曲線可知，在水合物生成過程的氣體溶解和誘導(dǎo)成核階段，溫度隨時間的變化曲線基本上呈直線，而由于氣體的溶解，壓力隨時間變化的曲線呈下降趨勢。給反應(yīng)體系再次加壓后，隨著時間的推移，溫度曲線分別在24.3h、49h、72h、96h處出現(xiàn)突變峰，同時，受溫度的影響，壓力也有所升高。由于C3H8氣體水合物的生成過程是一個放熱反應(yīng)過程。因此，這些溫度突變峰的出現(xiàn)意味著有水合物生成，對應(yīng)點(diǎn)為水合物的快速生成點(diǎn)。

然而，由圖5可以看出，向反應(yīng)體系補(bǔ)充C3H8氣體之后，體系壓力并未發(fā)生明顯的變化。這主要是由于在水合反應(yīng)過程中，氣體包括兩部分——自由氣和溶解氣。在水合反應(yīng)過程中，未生成水合物之前，自由氣與水中的溶解氣體保持平衡狀態(tài)；但隨著氣體水合物的生成，體系壓力持續(xù)下降，驅(qū)動力逐漸減小。同時，壓力擾動改變了溶解氣的組成，使得更多的C3H8氣體生成水合物；然而，由于C3H8水合物在氣液兩相界面上生成，生成的水合物膜阻止了氣液兩相的傳質(zhì)過程，阻止了自由氣進(jìn)入液相，使得體系壓力未發(fā)生較大變化。

在兩種不同的條件下，反應(yīng)時間均持續(xù)100h；在無壓力擾動和有壓力擾動的條件下，水合物的平均生成速率分別為0.013 2mm／h和0.052 6mm／h。實(shí)驗結(jié)果表明：壓力擾動可促進(jìn)水合物的生成過程；C3H8水合物的平均生成速率為無擾動條件下的4倍。在整個水合反應(yīng)過程中，反應(yīng)釜兩側(cè)與不銹鋼接觸的區(qū)域水合物生長較快，水合物沿分界面迅速生長，這主要有以下2方面的原因：①由于兩側(cè)部分直接與外界環(huán)境相接觸，加之不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)較大，水合反應(yīng)過程中產(chǎn)生的熱量可通過不銹鋼釜體導(dǎo)熱和空氣的對流換熱釋放，很快將水合物生成過程中產(chǎn)生的相變潛熱帶走，使得這一區(qū)域在整個反應(yīng)過程中時常處于過冷狀態(tài)，溫度梯度變化較大，驅(qū)動力較大，更有利于水合物生成；②水對不銹鋼而言是不浸潤物質(zhì)，水和不銹鋼壁面之間存在的這種特性更有利于水相和C3H8氣相之間物質(zhì)擴(kuò)散過程的進(jìn)行，為水合物晶核的生成提供了有利條件，使得水合反應(yīng)更加充分。同時，氣液兩相界面處，水合物相應(yīng)地在水相中垂直生長，水合物生長速率較慢，這是因為水合反應(yīng)開始后，將會在氣液相界面上生成一層水合物薄膜［17－18］，然而在水合反應(yīng)過程中，C3H8氣體通過水合物薄膜向水相擴(kuò)散形成晶核，薄膜的存在使得C3H8氣體擴(kuò)散過程受阻，進(jìn)一步阻止了水合物晶核形成過程。因此，水合物生成速率較慢。

3.3 水合物生成過程的驅(qū)動力分析

式中vL為液態(tài)水的摩爾體積，cm3／mol；vH為水合物的摩爾體積，cm3／mol；Δv為水合物與液態(tài)水的摩爾體積差，與水合物的結(jié)構(gòu)類型有關(guān)；peq為平衡條件下的壓力，Pa；pexp為實(shí)驗條件下的壓力，Pa；feq為平衡條件下的逸度，Pa；fexp為實(shí)驗條件下的逸度，Pa；xi為i組分在氣相中的摩爾分?jǐn)?shù)；R為摩爾氣體常數(shù)，J／（mol·K）；T為實(shí)驗溫度，K。

結(jié)合Sloan等給出的氣體水合物相平衡程序［19］，可計算出C3H8氣體在實(shí)驗條件下的相平衡條件，進(jìn)而根據(jù)上式可計算出純水體系中C3H8生成過程的驅(qū)動力。

根據(jù)靜態(tài)條件下C3H8水合反應(yīng)過程的實(shí)驗數(shù)據(jù)，通過Sloan等給出的氣液系統(tǒng)水合反應(yīng)驅(qū)動力公式，可計算得到吉布斯自由能變（Δg）表示的C3H8水合物的生成驅(qū)動力，如圖6所示。

圖6 水合反應(yīng)驅(qū)動力隨時間的變化曲線圖

在C3H8水合物的生成過程中，由于水合反應(yīng)過程存在鎧甲效應(yīng)，從而阻止了氣體水合反應(yīng)過程的進(jìn)一步進(jìn)行。因此，反應(yīng)最終將有一部分C3H8氣體和水被生成的水合物晶體隔離而不能繼續(xù)參加反應(yīng)。由此可知，在靜態(tài)體系且無表面活性劑等的條件下，氣體水合物的生成過程比較困難，而且水合反應(yīng)不充分。在可視化反應(yīng)釜中，通過C3H8水合物的生成過程研究，發(fā)現(xiàn)壓力擾動可明顯改善水合物的生成過程，且0.1MPa壓差可導(dǎo)致0.4kJ／mol的水合反應(yīng)驅(qū)動力，壓力擾動可打破原有體系的狀態(tài)而使停滯的水合反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，并開始生成大量的C3H8水合物。同時，隨著水合反應(yīng)過程的繼續(xù)進(jìn)行，C3H8水合物大量生成，氣液兩相界面處溫度升高，體系壓力逐漸降低，（Δg）增大，使得水合反應(yīng)驅(qū)動力下降。因此，壓力擾動可促進(jìn)氣體水合物的生成過程，提高其生成速率。

4 結(jié)論

1）與無擾動條件相比，壓力擾動可有效促進(jìn)C3H8水合物的生成過程。

2）在100h的靜態(tài)水合物生成過程中，壓力擾動條件下C3H8水合物的平均生長速率達(dá)到了0.052 6 mm／h，是無壓力擾動條件下C3H8水合物平均生長速率的4倍。

3）靜態(tài)體系中水合物的生成過程比較困難且水合反應(yīng)不完全；在壓力擾動條件下，0.1MPa的壓力差可導(dǎo)致0.4kJ／mol的生成驅(qū)動力，可使停滯的水合反應(yīng)重新開始。

［1］ SLOAN Jr.E D.Clathrate hydrates of natural gases［M］.3rded.New York：Marcel Dekker，1998.

［2］ 邱中建，鄧松濤.中國非常規(guī)天然氣的戰(zhàn)略地位［J］.天然氣工業(yè)，2012，32（1）：1－5.QIU Zhongjian，DENG Songtao.Strategic position of unconventional natural gas resources in China［J］.Natural Gas Industry，2012，32（1）：1－5.

［3］ 孫揚(yáng)，杜志敏，孫雷，等.CO2的埋存與提高天然氣采收率的相行為［J］.天然氣工業(yè)，2012，32（5）：39－42.SUN Yang，DU Zhimin，SUN Lei，et al.Phase behavior of CO2sequestration and the enhanced natural gas recovery［J］.Natural Gas Industry，2012，32（5）：39－42.

［4］ 劉昌嶺，任宏波，孟慶國，等.添加R141b促進(jìn)劑的CO2水合物法海水淡化實(shí)驗研究［J］.天然氣工業(yè)，2013，33（7）：90－95.LIU Changling，REN Hongbo，MENG Qingguo，et al.An experimental study of CO2hydrate－based seawater desalination with the R141bas an accelerant［J］.Natural Gas Industry，2013，33（7）：90－95.

［5］ AKIYA T，SHIMAZAKI T，OOWA M，et al.Formation conditions of clathrates between HFC alternative refrigerants and water［J］.International Journal of Thermophysics，1999，20（6）：1753－1763.

［6］ BI Yuehong，GUO Tingwei，ZHU Tingying，et al.Experimental study for the influences of additives on the gas hydrate cool storage process［J］.Journal of Basic Science and Engineering（China），2003，11（1）：39－45.

［7］ UTAKA Y，SAITO A，SEKI T.Gas hydrate cold storage using direct－contact heat transfer of liquid－vapor phase change and natural circulation of refrigerant in closed vessel［J］.JSME International Journal：Series B，F(xiàn)luids and Thermal Engineering，1993，36（1）：150－155.

［8］ 黃犢子，樊栓獅.甲烷水合物在靜態(tài)體系中生成反應(yīng)的促進(jìn)［J］.化學(xué)通報，2005，68（5）：379－384.HUANG Duzi，F(xiàn)AN Shuanshi.The promotion of methane hydrate formation in quiescent system［J］.Chemistry，2005，68（5）：379－384.

［9］ 李剛，李小森，唐良廣，等.降溫模式對甲烷水合物形成的影響［J］.過程工程學(xué)報，2007，7（4）：723－727.LI Gang，LI Xiaosen，TANG Liangguang，et al.Experimental study on the effect of temperature cooling profile on methane hydrate formation［J］.The Chinese Journal of Process Engineering，2007，7（4）：723－727.

［10］ JENSEN L，THOMSEN K，SOLMS N V.Propane hydrate nucleation：Experimental investigation and correlation［J］.Chemical Engineering Science，2008，63（12）：3069－3080.

［11］ 劉永紅，郭開華，梁得青，等.超聲波對 HCFC－141b水合物結(jié)晶過程的影響［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報，2002，24（12）：21－23.LIU Yonghong，GUO Kaihua，LIANG Deqing，et al.Experimental study on crystallizing process of HCFC－141b hydrate by ultrasonic［J］.Journal of Wuhan University of Technology，2002，24（12）：21－23.

［12］ 李金平，郭開華，梁德青，等.鐵絲對 HCFC－141b氣體水合物生成過程的顯著影響［J］.西安交通大學(xué)學(xué)報，2004，38（7）：767－770.LI Jinping，GUO Kaihua，LIANG Deqing，et al.Distinct influence of iron rod on the formation of the HCFC－141b gas hydrate［J］.Journal of Xi′an Jiaotong University，2004，38（7）：767－770.

［13］ 劉勇，郭開華，梁德青，等.在磁場作用下 HCFC－141b制冷劑氣體水合物的生成過程［J］.中國科學(xué)B輯：化學(xué)，2003，33（1）：89－96.LIU Yong，GUO Kaihua，LIANG Deqing，et al.The effect of the generation process of HCFC－141brefrigerant gas hydrate under magnetic field［J］.Science in China：Series B，Chemistry，2003，33（1）：89－96.

［14］ 臧小亞，樊栓獅，梁德青，等.3A分子篩對四氫呋喃水合物生成過程的影響［J］.中國科學(xué) B 輯：化學(xué)，2008，38（2）：170－176.ZANG Xiaoya，F(xiàn)AN Shuanshi，LIANG Deqing，et al.Influence of 3Amolecular sieve on THF hydrate formation process［J］.Science in China：Series B，Chemistry，2008，38（2）：170－176.

［15］ 祁影霞，張華.添加水合物促進(jìn)二氧化碳水合物生成的實(shí)驗研究［J］.高校化學(xué)工程學(xué)報，2010，24（5）：842－846.QI Yingxia，ZHANG Hua.Experimental study on formation of CO2hydrate with hydrate additive［J］.Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities，2010，24（5）：842－846.

［16］ 馬昌峰，陳光進(jìn)，郭天明.水中懸浮氣泡法研究水合物生長動力學(xué)［J］.中國科學(xué) B輯：化學(xué)，2002，32（1）：90－96.MA Changfeng，CHEN Guangjin，GUO Tianming.Study on growth kinetics of hydrate using suspended gas bubble in water［J］.Science in China：Series B，Chemistry，2002，32（1）：90－96.

［17］ 鐘棟梁，劉道平，鄔志敏，等.懸垂水滴表面天然氣水合物的生長特性［J］.過程工程學(xué)報，2008，8（4）：746－750.ZHONG Dongliang，LIU Daoping，WU Zhimin.Characteristics of natural gas hydrate growth on the pendant water droplet［J］.The Chinese Journal of Process Engineering，2008，8（4）：746－750.

［18］ 呂秋楠，陳朝陽，李小森，等.氣體水合物快速生成強(qiáng)化技術(shù)與方法研究進(jìn)展［J］.化工進(jìn)展，2011，30（1）：71－79.LYU Qiunan，CHEN Chaoyang，LI Xiaosen，et al.Advances in technology and method for promoting gas hydrate rapid formation［J］.Chemical Industry and Engineering Process，2011，30（1）：71－79.

［19］ SLOAN Jr.E D，KOH C.Clathrate hydrates of natural gases［M］.3rded.Boca Raton，F(xiàn)lorida：CRC Press，2008.