环路内水合物生成流动聚集过程及涂层法防治研究

发布时间：2020-05-12 21:35

【摘要】：油气生产装置和输送管线中,水合物的形成会导致堵塞的发生,进一步导致生产安全事故的发生。油气管道内的气体和液体在一定的温度和压力下转化为水合物颗粒后发生聚集、沉积是引起环路内水合物堵塞的重要原因。而水合物颗粒与颗粒、水合物颗粒与壁面之间存在的粘附力则是发生聚集与沉积的关键因素之一。应用显微操控技术进行了水合物颗粒与涂层之间的粘附力的测量,从微观角度探讨了涂层的存在对粘附力的影响。在充分理解环路内水合物形成堵塞过程的基础之上,进行了环路内水合物堵塞形成过程与形貌的探究。并以此为基础,在可视的夹套式反应器中探讨了涂层对四氢呋喃水合物生长过程的影响,利用高压反应釜研究了甲烷水合物在涂层上的生长与分布。测量了裸基底和基底涂层与水合物颗粒之间的粘附力。三种裸基底分别X70,X80和ZrO_2,几种涂层类型分别是氟硅烷涂层,HBN(六方氮化硼)涂层和W涂层。涂覆涂层后的表面与水合物颗粒之间的粘附力比裸基底表面与水合物颗粒之间粘附力小10%~90%。说明了涂层的存在可以减小水合物颗粒的粘附力。本文自行设计并安装了一套可视环路装置,该装置最高可以耐15Mpa的压力。整个环路总长为33米,体积为40L。整个环路采用的是夹套式设计,内管的内径为25.4mm,套管内通入酒精作为制冷剂,在整个实验过程当中确保温度能控制在实验的范围之内。以四氢呋喃(THF)水溶液为介质,在50 vol%LL,100 vol%LL和100 vol%LL+AA三种体系下(持液量:Liquid Loading,LL;防聚剂:Anti-agglomeration,AA),探讨了环路内THF水溶液形成水合物堵塞的过程及形貌变化。结果表明,在没有加入AA的条件下,体系更容易形成体积较大的水合物颗粒。对比于50 vol%LL,100 vol%LL条件下体系更容易形成水合物堵塞。50 vol%L体系下,水合物沉积更易出现在环路液面的气相空间的管壁上,反而在液相内部较少有水合物颗粒的沉积。无论是50 vol%LL还是100 vol%LL体系,水合物堵塞都是从内壁面的水合物颗粒沉积开始的。AA的加入减缓了水合物颗粒之间的聚集程度,使得形成的水合物颗粒更加分散与细腻。在一定冷量的输入条件下,三种体系最终都形成了水合物堵塞,但是AA的加入明显减小了水合物颗粒的大小以及减缓了水合物颗粒的聚集沉积和堵塞程度。利用夹套式反应器,观察了涂层对THF水合物生长的影响过程。结果表明,基底形状是影响水合物生长的因素之一。涂料中的SiO_2添加量越大,水合物在其涂层表面生长速率越慢。水合物在涂层表面的生长过程是由基底边缘慢慢向中间转化的。水合物生长过程遵循传热优先传质次之的基本机理。水合物在涂层表面的分解最开始是由靠近壁面的位置开始的。基底的形状对分解过程影响不大。在高压反应釜内进行了甲烷水合物在基底涂层表面的生长实验。相比于涂层基底而言,水合物更倾向于在非涂层基底表面上生长。靠近气相上部空间的区域水合物形成少,基本以水合物颗粒存在为主,靠近液相上部空间的区域水合物形成量大,主要以水合物块为主,而液相与气相的中间部位则主要是以水合物膜为主。
【图文】：

结构图,甲烷水合物,结构图

第一章绪论第一章绪论能源是经济发展的生命线，更是人类活动与文明延续的物质基础。当前世界能支柱分别是煤炭、石油和天然气。自从第二次工业革命以来，，人们生活水平的业的快速发展并驾齐驱，传统的煤炭和石油消耗迅速，随之而来的天然气可能来主要的不可再生能源之一[1, 2]。天然气是一种高效并且清洁的能源，相对于油而言，天然气有利于保护环境和经济的可持续发展，未来天然气的需求量呈长趋势。随着油气开采逐渐向深海进行以及天然气管网逐步普及，油气环路安问题也变得重中之重[3, 4]。2010 年墨西哥湾深水地平线爆炸事件，以及 201岛黄岛输油环路爆炸事件将油气环路的安全输送问题推到了舆论的风口浪尖。

示意图,笼形结构,水合物,晶体结构

似冰状的晶体结构[10]。气体水合物是一种非化学计量的晶体化合物[11]，这些分子周围围绕着一些特殊气体分子，如甲烷、乙烷和二氧化碳[12]。气体水合物一般会在高压和低温条件下形成，这些是水合物形成的热力学稳定条件[13]。气体水合物又称为笼型固体化合物（Clathrates of Natural Gas）[4, 14]。气体水合物（Natural Gas Hydrate: NGH）的稳定性是由客体分子在笼穴中的占有率决定的，当气体分子的直径与晶体孔穴大小相匹配时才能形成稳定的水合物晶体结构[14]。I 型 II 型 H 型
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TE973;TG174.4

【相似文献】