隨機晶向甲烷水合物生成動力學研究

《隨機晶向甲烷水合物生成動力學研究》是依託大連理工大學,由劉衛國擔任醒目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：隨機晶向甲烷水合物生成動力學研究
• 依託單位：大連理工大學
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：劉衛國

項目摘要

天然甲烷水合物的試驗室模擬是目前研究甲烷水合物生成的重要手段,因此受到國內外關注。用冰粉合成甲烷水合物,可進行有效的試驗控制並能利用現代顯微觀測技術表征其細微特徵,已成為甲烷水合物生成動力學研究中的一個重要研究對象。本項研究，首先利用甲烷水合物生成參數的最優控制,製取顆粒均勻、隨機晶向並具有復現性的端元甲烷水合物樣品,藉助pVT系統與CT系統，針對其生成過程，探索氣固、氣液籠型反應機理及微孔隙水合物結構中的氣水擴散機理，基於冰粉水合物收縮核模型，通過試驗分析、模型參數修正，建立隨機晶向水合物的生成動力學模型。分析冰顆粒參數、壓力、溫度等參數對甲烷水合物生成的影響規律。從試驗與理論上，定量描述隨機晶向甲烷水合物的生成機理。

結題摘要

利用冰粉合成水合物可描述為氣固反應條件下的水合物生成問題，從冰中生成水合物可以較好地進行實驗控制以及比較容易獲得界面面積等參數，有利於揭示水合物生成過程的詳細特徵，所以此問題得到了集中地研究。在模型研究中，主要的研究方向是將問題描述為氣固反應條件下的水合物生成問題，並且基於收縮核模型進行研究。現有模型可分為三類，包括反應進程控制、擴散進程控制以及反應和擴散進程的生成模型。 在實驗研究方面，研究了溫度和壓力、冰粉孔隙特性等對冰粉生成天然氣水合物的影響，分析了水合物飽和度控制影響因素，獲得了提高冰粉生成甲烷水合物轉化率的方法。高壓有利於冰粉水合物的生成，當溫度在冰點以下並且越靠近冰點時這種影響越明顯，溫度在冰粉生成水合物的過程中起著至關重要的作用，反應初期具有高籠形反應速率，是提高冰-水合物轉化率的關鍵期。反應後期，由於受擴散控制，反應速率明顯降低，二次升溫及補充壓力，可進一步提高冰粉生成水合物的飽和度。 在理論研究及數值模擬方面，首先，建立了一個氣體擴散過程主導的氣體與單粒徑冰粉生成水合物的氣固反應模型，所建立的模型能夠描述水合物生成過程中隨氣體消耗而產生的壓力降低情形。解決了已有模型對恆定壓力要求的局限性。模型中討論了兩種方式：分別為考慮相鄰顆粒間的幾何結構上的相互影響，對半徑進行修正的方式，以及不考慮這種相互影響的方式，並在模型求解中對比了採用兩種方式的計算結果，發現結果並無明顯差異。在生成過程中，有效氣體擴散係數將隨時間變化。有效氣體擴散係數的準確描述是模擬過程得以實現的關鍵。由於現有文獻中關於擴散係數的準確值難以獲得，在本模型中，以可測的壓力信息作為輸入參數，建立了依賴壓力變化的實時有效氣體擴散係數求解方法。通過模擬計算獲得了水合物的轉化率，並與實驗獲得數據進行了比較，驗證了結果的一致性。模擬計算還獲得了水合物殼及冰顆粒在生成過程中幾何尺寸隨時間變化的情況。