兩種體系中甲烷水合物生成特性的研究

楊義暄，謝應(yīng)明，徐政濤，陳嘉雯，孫嘉穎

(上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093)

水合物儲(chǔ)運(yùn)天然氣是利用1 m3的天然氣水合物可儲(chǔ)存標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下約150 m3的天然氣的特性，在合適的溫度、壓力條件下，使天然氣和水生成水合物，經(jīng)脫水固化處理對天然氣進(jìn)行儲(chǔ)運(yùn)的方法[1]。而在水合物儲(chǔ)運(yùn)天然氣的技術(shù)中關(guān)鍵問題在于如何高效地生成水合物，目前關(guān)于強(qiáng)化天然氣水合物生成的研究可概括為機(jī)械強(qiáng)化和添加劑強(qiáng)化。機(jī)械強(qiáng)化方法為攪拌[2-4]、噴霧[5-6]、鼓泡[7-9]，常用的添加劑為表面活性劑[10-11]、納米顆粒[12-14]。但是國內(nèi)外關(guān)于冰漿對水合物生成特性影響的研究相對較少，因此本文通過對比甲烷水合物在冰漿體系中和水體系的生成特性，突出冰漿對水合物生成反應(yīng)的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與裝置

CH4(純度為99.99%)，由上海偉創(chuàng)標(biāo)準(zhǔn)氣體有限公司提供；十二烷基硫酸鈉(SDS)，化學(xué)純；去離子水，由Hitech-Sciencetool系列超純水系統(tǒng)制得。

水合物儲(chǔ)能實(shí)驗(yàn)裝置見圖1，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括高壓反應(yīng)釜、供氣、供水、溫度控制、壓力控制、數(shù)據(jù)采集等系統(tǒng)。高壓反應(yīng)釜體為316 L不銹鋼材質(zhì)，設(shè)計(jì)壓力為10 MPa，有效容積為500 mL，反應(yīng)器底部裝有孔徑為0.2 mm的孔板，用于產(chǎn)生氣泡，反應(yīng)過程中的進(jìn)氣速率維持在60 mL/min；真空泵為旋片式，極限真空度為6×10-2Pa；恒溫水浴的控溫精度為±0.1 ℃，水浴槽內(nèi)的工作介質(zhì)為乙二醇水溶液．可控制的溫度范圍為-l5～50 ℃；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要采集反應(yīng)釜內(nèi)氣體壓力和氣液相溫度，壓力傳感器的量程為20 MPa，精度為±0.25%，溫度傳感器為Pt100鉑電阻，測量精度為±0.05 ℃。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)圖Fig.1 Diagram of experimental device system1.甲烷氣瓶；2.冷卻夾套；3.鼓泡式反應(yīng)釜；4.進(jìn)氣口；5.手動(dòng)計(jì)量泵；6.氣體流量計(jì)；7.真空泵；8.進(jìn)水口(出氣口)；9.溫度傳感器；10.壓力傳感器；11.溫度傳感器；12.數(shù)據(jù)采集儀；13.計(jì)算機(jī)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)著重于對甲烷水合物在冰漿體系和水體系下生成特性的對比實(shí)驗(yàn)，研究了不同壓力(4～6 MPa)、不同環(huán)境溫度(-1～1 ℃)、不同十二烷基硫酸鈉(SDS)濃度(0～800 mg/L)對不同體系中水合物的生成特性的影響，實(shí)驗(yàn)過程中反應(yīng)進(jìn)行的時(shí)間是以反應(yīng)釜內(nèi)的壓力達(dá)到設(shè)定值的時(shí)間點(diǎn)為起點(diǎn)記錄，通過記錄反應(yīng)釜內(nèi)液相溫度的變化來反映釜內(nèi)水合物反應(yīng)進(jìn)行狀況。實(shí)驗(yàn)步驟為：①用去離子水反復(fù)清洗反應(yīng)釜3遍并吹干，向反應(yīng)釜中注入一定體積的去離子水，開啟真空泵30 min，將反應(yīng)釜抽至真空；②開啟恒溫浴，并將溫度設(shè)定為-3 ℃，待反應(yīng)釜內(nèi)溫度達(dá)到穩(wěn)定后開啟磁力攪拌器，隨著反應(yīng)釜內(nèi)生成冰漿的過程，釜內(nèi)液相溫度會(huì)隨之上升，當(dāng)溫度升到0 ℃時(shí)停止攪拌，對比反應(yīng)釜中固液相的質(zhì)量，得到含冰率為19.5%；③調(diào)節(jié)恒溫浴調(diào)至實(shí)驗(yàn)所需溫度并穩(wěn)定，以鼓泡方式向反應(yīng)釜內(nèi)充入甲烷氣體，通過觀測甲烷氣泡直徑集中于0.5 mm，并記錄甲烷氣瓶的壓力，持續(xù)向反應(yīng)釜內(nèi)充氣達(dá)到設(shè)定的反應(yīng)壓力并保持穩(wěn)定，記錄液相溫度的變化，當(dāng)反應(yīng)釜內(nèi)液相溫度保持30 min不變化時(shí)，表明反應(yīng)釜內(nèi)甲烷水合物生成完畢，記錄此時(shí)甲烷氣瓶的壓力，停止實(shí)驗(yàn)并導(dǎo)出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以進(jìn)行分析；④水體系的水合物反應(yīng)實(shí)驗(yàn)，在第2步中無需生成冰漿，直接調(diào)節(jié)恒溫浴溫度到設(shè)定值，其余步驟與冰漿體系中的反應(yīng)步驟相同。

1.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中生成水合物所消耗的甲烷氣體摩爾量，由式(1)可計(jì)算得：

(1)

式中nCH4——生成水合物所消耗的甲烷氣體摩爾量，mol；

p1，p2——反應(yīng)前后甲烷氣瓶的壓力，MPa；

Vbot——甲烷氣瓶的體積，10-2m3；

R——摩爾氣體常數(shù)，8.314 J/(mol·K)；

z——甲烷的氣體壓縮因子。

(2)

(3)

式中 ω——偏心因子；

Tr——對比溫度，K；

pr——對比壓力，Pa。

甲烷水合物的儲(chǔ)氣密度(ρ)由式(4)計(jì)算得：

ρ=(22.4×nCH4)/V

(4)

式中V——反應(yīng)前水的體積，L。

2 結(jié)果與討論

2.1 壓力對水合物生成的影響

壓力對兩個(gè)體系中水合物反應(yīng)的影響見圖2。

圖2 壓力對水合物生成特性的影響Fig.2 Effect of pressure on the formation characteristics of hydrate

由圖2可知，冰漿體系的溫度上升點(diǎn)是從0 min開始，水體系的溫度上升點(diǎn)是從50 min之后開始，說明冰漿的存在有效地減少了水合反應(yīng)的誘導(dǎo)時(shí)間。另外，由圖可知，6 MPa壓力下，冰漿體系中溫度峰值時(shí)間點(diǎn)比水體系中溫度峰值時(shí)間點(diǎn)提前了50 min，說明冰漿的存在能夠有效加快水合物反應(yīng)的速度。觀察4 MPa壓力下兩個(gè)體系中液相溫度變化可以發(fā)現(xiàn)，冰漿體系中液相溫度有小幅度的變化，而水體系中液相溫度保持恒定，說明冰漿體系中有少量的水合物生成而水體系中無水合物生成。主要原因在于冰漿體系中的小顆粒的冰晶中存在與水合物空籠類似的大型水分子結(jié)構(gòu)，減少了小型水分子形成大型空籠結(jié)構(gòu)水分子的難度和所需時(shí)間[14-15]。

2.2 環(huán)境溫度對水合物生成的影響

環(huán)境溫度對水合物反應(yīng)的影響見圖3。

圖3 環(huán)境溫度對水合物生成特性的影響Fig.3 Effect of ambient temperature on the formation characteristics of hydrate

對比圖3中兩個(gè)體系的溫度上升起始點(diǎn)可知，冰漿體系的溫度上升起始點(diǎn)統(tǒng)一為0 min，而水體系中的最早的溫度上升點(diǎn)為57 min，此時(shí)水體系環(huán)境溫度為-1 ℃，對比-1 ℃環(huán)境溫度下兩個(gè)體系的溫度上升幅度可以得到，冰漿體系為0.9 ℃而水體系為1.4 ℃。對比1 ℃環(huán)境溫度下兩體系的液相溫度變化，發(fā)現(xiàn)水體系中的液相溫度保持恒定，而冰漿體系下液相溫度則存在明顯變化，溫度上升幅度為0.7 ℃，說明冰漿體系中有少量的水合物生成而水體系中并沒有水合物生成。除在2.1節(jié)已經(jīng)講過的原因外，冰漿的另一個(gè)特點(diǎn)在于冰漿中的冰晶存在相變潛熱能夠融化吸收水合物反應(yīng)過程中釋放的熱量，維持反應(yīng)所需的過冷度，同時(shí)冰的導(dǎo)熱系數(shù)是大于水的導(dǎo)熱系數(shù)的，冰晶的存在使冰漿的導(dǎo)熱系數(shù)大于純水的導(dǎo)熱系數(shù)，因此冰漿體系擁有更好的傳熱效率，更加利于水合物反應(yīng)過程釋放的熱量向環(huán)境中釋放，進(jìn)而促進(jìn)水合物反應(yīng)的發(fā)生與持續(xù)進(jìn)行。

2.3 SDS濃度對水合物生成的影響

SDS濃度對水合物反應(yīng)的影響見圖4。

圖4 SDS濃度對水合物生成特性的影響Fig.4 Effect of SDS concentration on the formation characteristics of hydrate

由圖4可知，SDS濃度從0 mg/L增長到800 mg/L的過程中，水體系的液相溫度變化比冰漿體系的液相溫度更加明顯。水體系的液相溫度上升起點(diǎn)的時(shí)間點(diǎn)隨SDS濃度增加先減小后增大，溫度峰值變化也是先增大后減小。水體系中最早的溫度上升時(shí)間點(diǎn)為24 min，最高溫度峰值為4.2 ℃，此時(shí)的SDS濃度為400 mg/L，相較于0 mg/L的濃度條件下液相溫度上升起點(diǎn)提前了47 min，峰值溫度上升了0.8 ℃。冰漿體系中液相溫度變化主要表現(xiàn)在溫度峰值的變化，在SDS濃度為400 mg/L時(shí)達(dá)到峰值溫度的最大值，為1.2 ℃，相較于SDS濃度為0 mg/L 的條件下液相溫度的峰值溫度升高了0.4 ℃。因此，可以認(rèn)為SDS濃度改變對水體系中水合物生成特性影響更大。

2.4 兩種體系對甲烷水合物儲(chǔ)氣密度的影響

圖5～圖7分別對比了三大組實(shí)驗(yàn)中兩個(gè)體系中水合物的儲(chǔ)氣密度。

圖5 不同壓力下的水合物儲(chǔ)氣密度對比Fig.5 Comparison of gas storage density of hydrate under different pressure

圖6 不同環(huán)境溫度下的水合物儲(chǔ)氣密度對比Fig.6 Comparison of gas storage density of hydrate at different ambient temperatures

由圖5和圖6可知，在不利于水合物生成的環(huán)境中，冰漿體系中水合物儲(chǔ)氣密度大于水體系中水合物的儲(chǔ)氣密度，但是隨著壓力升高和環(huán)境溫度降低，兩個(gè)體系中水合物儲(chǔ)氣密度之間的差距不斷減小，在壓力逐漸增大的過程中儲(chǔ)氣密度的差距從11.7 m3/m3降低至2.2 m3/m3，溫度降低的過程中儲(chǔ)氣密度差距從23.9 m3/m3降低至1.4 m3/m3。

由圖7可知，隨著SDS濃度發(fā)生變化，兩個(gè)體系中水合物的儲(chǔ)氣密度都發(fā)生了變化，可以看出水體系中儲(chǔ)氣密度變化幅度更大。在SDS三個(gè)濃度改變過程中，水體系中水合物儲(chǔ)氣密度改變幅度分別為5.2，10.4，8.3 m3/m3，而冰漿體系中水合物儲(chǔ)氣密度改變幅度分別為3.6，7.5，5.4 m3/m3。因此，可以說明SDS濃度改變對水體系中水合物儲(chǔ)氣密度的影響更大。

圖7 不同SDS濃度下的水合物儲(chǔ)氣密度對比Fig.7 Comparison of gas storage density of hydrate at different SDS concentrations

3 結(jié)論

(1)冰漿體系中存在類似于水合物空籠大型水分子結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致冰漿體系中的誘導(dǎo)時(shí)間明顯短于水體系中的誘導(dǎo)時(shí)間。在6 MPa壓力條件下冰漿體系的反應(yīng)誘導(dǎo)時(shí)間比水體系中的反應(yīng)誘導(dǎo)時(shí)間少了50 min。

(2)冰漿中存在冰晶，導(dǎo)致冰漿的導(dǎo)熱系數(shù)比水大，同時(shí)冰晶存在融化潛熱使冰漿對熱量的吸收能力更強(qiáng)，更有利于反應(yīng)熱的釋放，因此冰漿體系中液相溫度的上升幅度是小于水體系的。在-1 ℃的環(huán)境溫度下，冰漿體系的溫度上升幅度比水體系的溫度上升幅度小0.5 ℃。

(3)SDS濃度從0 mg/L濃度增長到400 mg/L過程中，冰漿體系中誘導(dǎo)時(shí)間保持不變，液相溫度上升幅度增加了0.4 ℃，而水體系中的誘導(dǎo)時(shí)間則減少了47 min，溫度上升幅度增加了0.8 ℃，說明SDS濃度改變對水體系中水合物生成反應(yīng)的影響更大。

(4)冰漿可以提升水合物的儲(chǔ)氣密度，但是隨著有利于水合物反應(yīng)進(jìn)行的條件增多，冰漿體系中水合物儲(chǔ)氣密度會(huì)和水體系中水合物儲(chǔ)氣密度逐漸接近。改變SDS濃度對兩個(gè)體系中水合物儲(chǔ)氣密度都有影響，但是對水體系中水合物儲(chǔ)氣密度改變更加明顯。