15928.油包水乳液中甲烷水合物形成動力學研究

1、油包水乳液中油包水乳液中甲烷水合物形成動力學甲烷水合物形成動力學研究研究KiicsofMethaneClathrateHydrateFmationinwaterinoilemulsion一級學科：化學工程與技術(shù)學科專業(yè)：化學工程作者姓名：陳超指導教師：李鑫鋼教授天津大學化工學院二零一五年五月中文摘要油包水乳液中水合物形成動力學的理論和實驗研究是設計天然氣水合物反應裝置和吸收水合耦合法氣體分離裝置的基礎，也是輸油管線防堵技術(shù)的應用基礎，在

2、低碳氣體水合分離、天然氣水合物儲運以及輸油管線防堵等領域具有重要意義。本文建立了油包水乳液體系中水合物生長動力學的理論和實驗研究體系，系統(tǒng)開展了甲烷水合物動力學方面的相關(guān)實驗和模型研究工作：（1）建立乳液體系水合物形成動力學實驗裝置，利用壓力體積溫度法，在轉(zhuǎn)速為300～1100rpm，水滴平均粒徑為1170～2338nm，實驗溫度為69.15～277.15K范圍內(nèi)，測定了甲烷氣體在含水率30%的油包水乳液中的形成動力學數(shù)據(jù)。實驗發(fā)現(xiàn)：誘

3、導時間隨剪切速率增大先縮短再增加，隨操作溫度升高而增加。水合物形成消耗甲烷的速率隨剪切速率增加、實驗溫度降低、平均粒徑減小而增大。甲烷消耗量隨水滴平均粒徑減小而減少；在冰點以上，氣體消耗量隨實驗溫度降低而增加；在冰點以下，隨溫度降低而減少。在相同實驗條件下，油包水乳液中甲烷水合物形成速率是純水體系的5倍。（2）將金屬結(jié)晶和高分子結(jié)晶領域的JohnsonMehlAvramiKomogov（JMAK）模型用于油包水乳液中甲烷水合物形成動力學

4、過程。將甲烷水合物形成動力學實驗數(shù)據(jù)非線性回歸得到了JMAK模型的水合物結(jié)晶動力學常數(shù)和Avrami指數(shù)，實驗值和計算值吻合良好（R=0.9635～0.9907）。根據(jù)Avrami指數(shù)的范圍提出了油包水乳液中甲烷水合物的生長機理。（3）考慮到水合物含量對乳液粘度的影響，在Dalmmazone等的模型基礎上增加一個描述甲烷傳質(zhì)系數(shù)受水合物量影響的方程來考慮粘度對傳質(zhì)過程的影響，同時忽略乳液系統(tǒng)中水滴成核的時間分布。將本文實驗數(shù)據(jù)非線性回歸

5、得到該模型的相關(guān)參數(shù)，實驗數(shù)據(jù)和計算值非常吻合。為了使模型更合理，基于多點成核過程分別考慮了成核速率隨推動力改變的情況以及飽和點成核的情況。（4）基于單水滴縮核模型（shrinkingcemodel）以及乳液中水滴形成水合物時間不同的假定，通過成核時間分布函數(shù)計算單位時間內(nèi)生成水合物的水滴數(shù)量，建立乳液系統(tǒng)中水合物形成動力學模型。使用乳液系統(tǒng)中甲烷水合物形成氣體消耗數(shù)據(jù)與該模型關(guān)聯(lián)，通過分析發(fā)現(xiàn)剪切速率對乳液中水滴成核分布影響很大。剪切