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天然气水合物生成过程及其反应器特性研究

郝文峰  
【摘要】:天然气水合物是一种非化学计量的超分子笼状化合物,1m~3水合物可储存150-180m~3的天然气。这就为天然气水合物储存和运输技术提供了可能。但是其储运设备中的水合物生成装置还没有达到工业规模,还不能形成取代LNG成为天然气运输主要手段。因此,有必要进一步研究水合物储运技术,特别是水合物生成过程。由于水合过程受气液扩散控制,并且是放热反应。因此,如何提高气液传质速率和移走反应热是水合反应器选择上主要考虑的问题。通常采用增加扰动或液体中加入添加剂等方法来提高扩散速率以及内置或外置换热装置来强化换热效果。另外,对于选定的反应器还要考虑如何改变操作条件以获取较大的反应推动力。 首先,半连续搅拌槽式反应器作为常规的反应器被应用到甲烷水合研究。在该反应器中分析和比较了恒压降温水合过程、低温恒压水合过程、无搅拌水合过程中甲烷的水合效果。结果表明:低温恒压过程甲烷水合速率高、储气量较大。在此储气方式下,考察了压力5.0MPa下搅拌、添加剂、装料系数对甲烷水合过程的影响。在搅拌速率320rpm,搅拌时间30min条件下,可以获得159V_g·V_H~(-1)以上的储气效果,而且获得较高的水合速率0.43 V_g·V_H~(-1)·min~(-1)。同时,确定十二烷基硫酸钠为实验中较好的添加剂,合理的装料系数为0.289。并计算了搅拌过程中的流体Reynolds准数和Froude准数及搅拌功率数值,用以评估搅拌器的性能,为水合反应器的放大提供参考。另外,提供了人工合成的水合物照片,照片显示水合物为白色易燃晶体。并给出了水合物的天然样品,用于与合成样品对比。同时实验室模拟了天然样品的生成过程,发现水合物晶体的生长具有方向性。这用于水合过程分析及水合反应器设计。 其次,为强化传质、加强换热,设计、构建了外置换热、旁路调节液体流量和液体压力的1L喷淋式反应器。在该反应器中,在液体喷射压力4~5MPa条件下,进行了添加剂十二烷基硫酸钠、乙醇及无添加剂对比实验,结果表明:添加剂大大提高了甲烷水合速率,其中乙醇作为添加剂对提高反应速率最为显著,其速率为0.46V_g·V_H~(-1)·min~(-1),约为十二烷基硫酸钠作为添加剂的10倍。同时,有效降低了气相的操作压力。与半连续搅拌槽式反应器研究相比,具有操作压力低,水合速率高的优点。但是,由于喷淋装置是闭路装置,水合物颗粒会阻塞反应管路。因而水合物浆的含气率还较低,还需进一步研究。 此外,在容积为1L高压反应釜中制备甲烷水合物,测定了温度273K甲烷分解过程实验数据,并提出了以微分方程形式表达的宏观分解动力学模型,同时计算了甲烷水


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