块状甲烷水合物分解动力学特征及其影响因素

发布时间：2021-04-06 21:00

　　与冷泉相关的块状甲烷水合物是非常规天然气资源开发的重点目标之一。为了了解其分解动力学特征以便于制订合理的开发方案,利用高压差示扫描量热仪实验测试了块状甲烷水合物的生成与分解过程,将分解的吸热效应与分解速度相关联,分析不同环境下块状甲烷水合物分解瞬时速度和平均速度的变化特征,然后,基于实验结果采用经典的甲烷水合物分解动力学模型计算得到不同压力下甲烷水合物分解活化能,进而评价分解表面积、温度、压力和矿化度等因素对甲烷水合物分解速度的影响。研究结果表明:①随着压力升高,甲烷水合物分解活化能逐渐增大,在此次实验测试条件下其数值介于27.5～28.5 kJ/mol;②在去离子水溶液中,甲烷水合物的分解瞬时速度呈现先增加后减小的趋势,在分解早中期其累计分解物质的量随时间的变化关系呈指数函数形式增长,后期则呈缓慢线性增长;③在孔隙水溶液中,甲烷水合物的分解瞬时速度也呈现先增加后减小的变化趋势,但较之于去离子水溶液,孔隙水溶液中甲烷水合物的分解瞬时速度峰值出现的时间较晚,孔隙水溶液矿化度对水合物分解速度的促进作用弱于温度的影响;④对影响去离子水溶液中块状甲烷水合物分解速度的因素按照影响程度由大到小排序... 

【文章来源】：天然气工业. 2020,40(08)北大核心EICSCD

【文章页数】：8 页

【部分图文】：

μDSC7型高压差示扫描量热仪实验装置示意图

图2为一组甲烷水合物分解过程的典型差示扫描量热曲线：在高压样品池内温度按照一定上升速率线性增长，相应的热流曲线具有两个吸热峰，分别对应冰融化吸热峰（A峰）和甲烷水合物分解吸热峰（B峰）。每次实验水合物生成过程的温度均降至-40℃，高压池内仅包含甲烷水合物和冰两种固态物质。单位质量冰融化对应的相变潜热为331.36 J/g，冰融化的吸热量可以通过计算热流曲线峰面积（蓝色A峰的面积）获得，进而可得到每次实验冰的总物质的量。高压池内液体总质量可通过天平精确称量获得，因此可计算出甲烷水合物转化率，如式（1）所示。标准情况下，1 mol甲烷水合物中甲烷分子与水分子的比例（水合指数）是1∶5.75，实际样品中甲烷在晶格内的填充率会略低于理论值，一般取水合指数为6。实验生成的甲烷水合物物质的量根据式（2）可以计算得到。式中α表示甲烷水合物转化率；Qice表示冰分解热，J;m表示溶液质量，g。

针对去离子水溶液，为了分析温度、压力对水合物分解动力学行为的影响，选取6组相同变温速率（0.5 K/min）、不同压力下的实验结果进行对比研究。如图3所示，各轮次实验中甲烷水合物的分解速度均呈现先增加后减小的趋势；由于压力越高，形成的块状甲烷水合物物质的量越大，在分解时的受热面积则越大，因而甲烷水合物的分解速度越快。由于不同时间范围内热流峰面积与水合物分解物质的量成正比，绘制出水合物累计分解物质的量与时间的关系曲线，求取该曲线的斜率即得到水合物平均分解速度[18-19]。如图4所示，在甲烷水合物分解早中期其累计分解物质的量随时间的变化呈指数函数形式增长，至后期则转变为缓慢线性增长，该变化趋势在最终甲烷水合物累计分解物质的量较大的情况下更加明显。

【参考文献】：
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本文编号：3122134