甲烷水合过程热质强化实验研究

发布时间：2020-06-11 23:40

【摘要】：水合物法天然气储存技术可实现在中温段(约273 K)和相对温和压力(P=3~10 MPa)的工况条件高密度储存天然气。为了解决甲烷水合物生长动力学相对缓慢的问题,以及实现更低工况压力下高密度储存天然气目标,本文着眼于传热强化与传质强化两方面,对甲烷水合物生长的传热传质双强化效应和双重传质强化效应进行了系统研究。向静态0.03wt%SDS溶液甲烷水合体系中加入两种疏水泡沫金属(铝/铜,其对应孔隙率分别为72.8%或95.0%),研究表明,在诱导成核结束后15 min内储气过程中:(1)疏水涂层存在下,疏水泡沫铝-SDS溶液复合体系与泡沫铝-SDS溶液复合体系相比储气量最高可提升38.7%,储气工况压力可降低约1 MPa,说明疏水泡沫铝具有更好的传质强化效应;(2)疏水泡沫铝和疏水泡沫铜的加入可分别将静态SDS溶液体系的储气量最高提升87.1%和26.2%,并促使工况压力较低体系进行甲烷水合过程:首先,疏水泡沫铝/铜+空气复合导热系数分别为4.716 W/(m·K)和2.205 W/(m·K),均比纯水导热系数0.58W/(m·K)大,其加入可强化甲烷水合物生长传热过程;其次,疏水泡沫金属中的疏水涂层使液相表面收缩,为甲烷在液相中的运动提供通道,强化甲烷水合物生长传质过程。因而疏水泡沫金属对于甲烷水合体系具有传热传质双强化效应。向高孔隙率疏水泡沫铜骨架中填充干水介质,其首次储气以及二次循环储气的储气量基本保持一致。然而干水体系高度分散结构不利于体系热量快速传导,其导热系数与水溶液相比下降了36%,因而疏水泡沫铜对干水体系水合储甲烷的促进作用不如泡沫铜。本文考察亮氨酸干溶液(亮氨酸+干水)对甲烷水合过程的影响:亮氨酸溶液可以将甲烷气以“甲烷气泡”的形式分散到水中-“分散甲烷气”,干水将水溶液以“硅包水”结构分散到气相中-“分散水”,二者共同作用达到双重传质强化的效果。研究表明亮氨酸干溶液的最佳亮氨酸浓度为0.5 wt%,诱导成核结束后100 min储气量可达159.61 V/V,与相同工况条件下干水体系相比提升超过10%。通过本文对静态甲烷水合物生长过程的传质传热双强化效应和双重传质强化效应的研究,水合物法甲烷储存性能进一步提升,可为水合物储气的工业化应用提供指导。
【图文】：

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程并进入至大笼中使水合物相平衡条件发生偏移同时，却削弱了 sII 型以及 sH实际储存甲烷的能力。而美国能源部 (Department of Energy, DOE) 最近将车载存材料的目标储量从原先的 180 V/V 提升至 263 V/V[23]，因此部分学者专注于水合物结构储存甲烷性能的研究，通过加入不同类型的材料强化甲烷水合传质程。不同气体分子进入至水合物笼型结构有难易之分，，当混合气体参与水合反应时合条件较温和的气体则大部分固定于水合物相，水合条件苛刻的气体则存留于中，气-固两相达到平衡态时即可实现气体的富集，因而水合物技术可应用于技术领域当中。目前常见的水合分离研究的混合气有 CH4+CO2[24-27]、H2+CO2[284+H2[31]、N2+CO2[32]等；另外，从含二氧化碳混合气体水合分离技术又可延伸至碳捕获技术当中[33, 34]。CH4+CO2（沼气、生物气）分离及利用流程如图 1-3 所示Babu 等撰写的水合物法分离技术综述制作而成[35]）。

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基酸分子结构中拥有氨基 (-NH2) 和羧基 (-COOH) 亲水基团以及不同的侧链取代基团展现出一定疏水性时，该类两亲性氨基酸分子具有表面活性进甲烷水合过程的潜力。guyen 等以季铵盐半笼型水合物为例（如图 1-6 所示），对疏水基团促进甲用机理进行解释[64]：疏水性添加剂溶解至水溶液后，其与周边水分子相互水化壳，如图 1-6(a)所示；水化分子的形成可使局部气体分子浓度增加，特的笼型结构可作为气体水合过程的成核位点，如图 1-6(b)所示，上述两导成核过程，提高气体水合速率。项论述进一步验证了带有疏水性侧链基团的氨基酸分子具有强化甲烷水猜想，与此相反的是，Su 等报道了含亲水性侧链的缬氨酸、丙氨酸、甘为水合物热力学抑制剂[65]，该类分子在水溶液中对其周边的水分子具有强。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TE81

【参考文献】