充注压力对压缩式制冷循环连续制备CO_2水合物的影响

研制了一台能够连续制备蓄冷用CO2水合物的压缩式循环实验装置,并在该装置上研究了充注压力对水合物的预冷时间、生成质量、水合比例和潜热蓄冷量的影响。实验结果表明水合物在CO2气泡上升过程中生成,在气液界面处堆积。高的充注压力有着更理想的蓄冷特性,当充注压力为4.2 MPa时,预冷时间为8 min、水合物生成质量为8.44 kg、水合比例为75.1%、水合物潜热蓄冷量为4.22 MJ。充注压力为3.8 MPa及以上时,水合物生成量大,水合物阻碍釜内各部分的传热,使釜内中层、下层的温差较大。水合物生成过程后期,水合放热量减少,液体CO2在反应釜内的蒸发吸热效应使得釜内温度继续降低,一直到低于0℃,充注压力越高,此现象越明显。     

TBAB对压缩式循环制备CO2水合物的相平衡影响

采用水冷压缩式CO_2水合物蓄冷实验台,研究了不同TBAB质量分数下CO_2水合物的相平衡特性,绘制出不同TBAB质量分数下压力随温度的变化曲线。经过分析发现:与纯水溶液相比,在相同的温度下,TBAB可以降低CO_2水合物的相平衡压力,且随着TBAB质量分数的增加,相平衡条件越趋向于低压高温,然而这种作用的幅度不断减小:当温度为282 K时,TBAB质量分数为5%,10%,15%的溶液相平衡压力分别相对于纯水溶液降低了2.1,2.8,2.9 MPa。以Chen-Guo模型为基础,提出了一个新的相平衡模型,这一模型考虑到了水的相变以及TBAB的添加生成半笼型水合物等因素,使其更接近本系统的水合物生成时的真实状态,改进后的水合物相平衡模型与实验数据的误差最高有8.03%,证明了此模型有一定的参考价值。     

GO强化水冷压缩式CO2水合物蓄冷的实验研究

采用水冷压缩式CO2水合物蓄冷实验台,研究了在不同初始充注压力和不同质量浓度的氧化石墨烯(GO)悬浮液下,CO2水合物的蓄冷特性,通过实验数据计算蓄冷量和蓄冷速率.结果 表明:与纯水体系相比,含有不同质量浓度的GO悬浮液中,系统的预冷时间和蓄冷时间均有不同程度的缩短.水合物生成质量、蓄冷速率和蓄冷量均有不同程度的提高,...     

直接接触式制备CO2水合物的生长和蓄冷特性

采用直接接触式水合物反应釜,并在釜内初始水温为26℃和15℃以及充注压力为3.6～4.2 MPa的条件下制备CO₂水合物,研究其生长和蓄冷特性。实验结果表明:在初始水温为15℃、充注压力为3.6 MPa时,预冷时间较短(11 min),水合物开始生长时过冷度约为1.3℃,温升不明显,平均蓄冷速率和平均蓄冷效率分别为82.4 kJ·min^-1和4.34;在其他温压条件下,预冷时间较长(20～55 min),但随充注压力的升高而减小,过冷度较大(5.5～9.7℃),水合物生长迅速且密集,温升明显,并在充注压力为4.0 MPa时温升幅度最大,水合物平均生长速率、总蓄冷量、平均总蓄冷速率和效率随充注压力的升高而变大,其最大值分别为77和154 g·min^-1,3.725和3.791 MJ,64.1和99.5 kJ·min^-1,3.14和 4.91。水合物释冷分解是一个相变过程,相变温度一般在10～14℃。     

纳米粒子对CO2水合物导热性能的影响

试验研究了不同种类（Al₂O₃、Cu、SiO₂）、不同质量分数（0.05%、0.1%、0.15%）及不同粒径（10、30、50 nm）的纳米粒子对CO₂水合物热导率的影响。结果表明温度为-5~5℃时,纯CO₂水合物热导率为0.553~0.5861 W·m^-1·K^-1,具有玻璃体的变化特性。分散剂SDBS的加入,可改善CO₂水合物-纳米粒子体系的导热性能。在相同的质量分数和粒径下,纳米Cu粒子对CO₂水合物热导率的增强作用最好,但综合考虑水合物生成特性和溶液悬浮稳定性,选用纳米Al₂O₃粒子较合适。Al₂O₃粒子粒径越小,水合物热导率越大,15 nm比50 nm纳米粒子体系中CO₂水合物热导率的增长率平均提高了12.7%。此外,CO₂水合物热导率随Al₂O₃粒子质量分数的增大而增大,质量分数由0.05%增加到0.15%时,水合物热导率的增长率由4.2%提高到8.2%。     

初始压力对冰冻石英砂中CO2水合物生成特性的影响

利用冰冻石英砂模拟冻土水合物的赋存条件,研究了压力对二氧化碳水合物生成特性的影响,在300 mL高压水合物反应釜中于271 K下进行了多组CO2液化压力以上及以下的霰状冰粉包裹的石英砂中水合物生成实验。结果表明,充入的CO2未液化时,初始压力越大,水合反应速率越快,压力越早达稳定状态;充入压力达液化压力后,注入的CO2越多,水合反应速率越快。压力作为水合反应的驱动力,压力越高水合物生成越多,冰的最终转化率越高。采用CO2置换冻土区中甲烷水合物时,控制压力低于液化压力或注入过量的CO2,置换效果更好。     

CO2充注量对跨临界轿车空调系统性能的影响

试验研究了CO₂充注量对跨临界轿车空调系统性能的影响.研究表明：CO₂充注量对跨临界制冷系统的性能影响很大,存在一个最佳的CO₂充注量,此时COP最大;CO₂充注量不足,会导致制冷量和COP降低,CO₂充注量过多,会导致压缩机耗功大幅度上升;制冷循环随CO₂充注量的不同,具有6个特征明显的工作循环.根据这些表现特征,提出了用4个参数作为判断CO₂充注量是否合适的特征参数.为确定跨临界制冷系统的最佳充注量、对系统进行优化设计和高效运行控制提供了参考.     

CO2-N2-TBAB和CO2-N2-THF体系的水合物平衡生成条件

利用等温压力搜索法测定了CO2-N2-TBAB与CO2-N2-THF体系的水合物平衡生成压力. 实验的压力范围为0.69~14.55 MPa,温度范围为275.75~288.15 K. 结果表明,TBAB与THF均可作为添加剂有效降低气体水合物的平衡生成压力. 在较低的药剂浓度下,CO2-N2-TBAB的水合物平衡生成压力低于CO2-N2-THF体系. 在较高的浓度下,两种体系的水合物平衡生成压力没有明显差别.     

水合物法分离烟气(CO2/N2)中CO2的实验研究

利用四丁基溴化铵(TBAB)作为促进剂进行了水合物法分离烟气(CO2/N2)的实验研究.结果表明较高TBAB浓度下生成的水合物较多,其中包含更多的未填充气体的纯TBAB水合物;解析气中的CO2含量受到气体消耗率及实验初始压力的影响;TBAB浓度、实验温度在实验条件范围内对解析气中的CO2含量影响并不明显.CO2摩尔分数为17.4%的CO2/N2混合气通过_二级水合物/膜分离流程可回收到CO2摩尔分数为95.0%的解析气.     

注CO2+N2混合气改造-开采CH4水合物储层

盖层不封闭且胶结弱是海域天然气水合物储层开采面临的挑战之一。直接降压开采所得气水比低,还可能引发储层失稳。对此,一种基于水合物原理的储层改造方法被提出,即向水合物储层上方注入CO₂形成人工CO₂水合物盖层,从而构造出一个相对封闭的开采环境。在前期工作基础上,本文研究了注入CO₂+N₂混合气改造-开采CH₄水合物储层的可行性。研究结果表明注入混合气体能够形成渗透性低、稳定性好的CO₂水合物盖层,可以有效降低降压开采过程中的产水量及提高CH₄采收率。当注入的混合气中N₂比例较高时,过量的N₂对CH₄水合物的分解存在促进作用,但N₂随甲烷采出增加了后续的分离难度。当注入的混合气中CO₂的比例较高时,人工盖层阻水效果更强,但CO₂产出量也随之增加,且限制了CH₄采收率的进一步提高。后续研究需要进一步优化注-采工艺条件来提高开采效率和降低气体分离能耗。     

水合物法模拟海底封存CO2气体的实验

向海底地层和枯竭油气藏中注入CO₂气体形成稳定的CO₂水合物是一种极具前景的CO₂封存技术。为了进一步探究这一技术,本文利用水合物法进行了多组3MPa、5℃天然湿砂的CO₂封存实验模拟。初始水饱和度设置为10%、40%、70%,分别进行了纯水封存实验和3.5%（质量分数）NaCl溶液的封存实验,还利用自主研发的反应釜系统探索了3种不同进气方向（顶部进气、横置进气、底部进气）下的CO₂封存效果。结果发现横置进气的封存量普遍大于顶部进气的封存量,底部进气的封存量最小,而且横置进气的封存速度最快;初始水饱和度越高,水合物饱和度就越高,但水合物转化率越低,CO₂固态封存比例也越低;与纯水实验相比,盐的存在降低了CO₂的封存量,固态封存比例也会低于纯水实验,但封存速度更快。本文为实际工程操作时合理控制封存地层水饱和度、盐度以及合适的进气方向提供了依据。     

CO2置换CH4水合物的相平衡研究进展

总结了近年来国内外CO2置换CH4水合物的相平衡研究成果,包括置换机理、相平衡实验、混合水合物相平衡的影响因素及相平衡研究的应用。研究表明,电解质溶液、微波等体现了电场对水合物形成的作用力;表面活性剂、多孔介质需要考虑界面张力、吸附等作用对相平衡条件的影响;气体组分对水合物形成的影响与各自的水合物相平衡条件、组分之间的相互作用有一定关系。目前的相平衡实验研究多采用观察法,有一定的误差,并且无法研究多孔介质内的水合物形成情况,因此需要结合一些微观成像技术、色谱分析技术满足实验要求;液态或乳化液形式的CO2由于其运输、注入、分离、置换效果的优势受到了重视,但是相关的相平衡研究尚处于起步阶段;CO2置换的工程实际条件不同于实验室,注热或降压措施的影响范围较大,所以考虑多孔介质沉积层的多个物理场变化的相平衡研究将是今后研究的重要课题。     

CO2水合物浆在水平圆管中的传热特性

在CO₂水合物浆流动传热特性测试实验系统上,采用套管式电加热的方法对CO₂水合物浆进行了分解实验,并对CO₂水合物浆的流动传热特性进行了分析。对CO₂水合物浆的相变特性进行了研究,得到CO₂水合物浆的相变温度在8～12℃。研究了在固相体积分数为13.2%以及流速为0.45m/s的条件下CO₂水合物浆在内径为8mm的水平不锈钢管中的传热特性,计算得到CO₂水合物浆在不锈钢水平圆管中的对流传热系数为1500～1800 W/(m²·K),并且其在流动传热过程中呈现先增大随后趋向平稳的趋势,在水合物的相变区相应的对流传热系数表现最大。研究了分解加热功率对管壁温和对流传热系数的影响,发现加热功率对管壁温度的影响较强。在实际应用中可利用CO₂水合物浆的相变作用来增强传热,提高传热效率。     

海底沉积物层CO2封存中水合物研究进展

海底沉积物层内CO2封存被认为是缓解全球气候变暖的有效途径,本文介绍了CO2封存时水合物自封机理、水合物形成条件和水合物稳定带范围,描述了水合物生成动力学研究现状,包括成核动力学、生长动力学以及水合物结晶过程驱动力,水合物的成核模型有成簇成核模型、成簇成核扩展模型、界面成核模型、Chen-Guo模型,水合物生长动力学模型有Englezos、Kvamme生长模型、指数增长模型、流体流动模型以及LB模型,水合驱动力有化学势差、温差、吉布斯自由能差、浓度差、压差或逸度差。总结了多孔介质渗透率和孔隙度随水合物成核和生长的演化关系,有KC模型、NR模型、平行毛细管束模型、渗透率下降模型和Morisdis相对渗透率模型,最后介绍了CO2水合实验情况,展望了CO2海底沉积物层内封存与水合物相关的科学问题。     

One‐dimensional productivity assessment for on‐field methane hydrate production using CO2/N2 mixture gas

The direct recovery of methane from gas hydrate‐bearing sediments is demonstrated, where a gaseous mixture of CO₂ + N₂ is used to trigger a replacement reaction in complex phase surroundings. A one‐dimensional high‐pressure reactor (8 m) was designed to test the actual aspects of the replacement reaction occurring in natural gas hydrate (NGH) reservoir conditions. NGH can be converted into CO₂ hydrate by a “replacement mechanism,” which serves double duty as a means of both sustainable energy source extraction and greenhouse gas sequestration. The replacement efficiency controlling totally recovered CH₄ amount is inversely proportional to CO₂ + N₂ injection rate which directly affecting solid ‐ gas contact time. Qualitative/quantitative analysis on compositional profiles at each port reveals that the length more than 5.6 m is required to show noticeable recovery rate for NGH production. These outcomes are expected to establish the optimized key process variables for near future field production tests. © 2014 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 61: 1004–1014, 2015     

Kinetic investigation of CO2 and N2 clathrate hydrate formation using cyclopentane: Application in desalination

Hydrate-based desalination could be a promising technique for producing fresh water from saline water, as it is an eco-friendly process and suitable for large-scale implementation. To make the hydrate-based desalination technology easily scalable, we looked at using air (or N₂) or CO₂ as a hydrate former, along with cyclopentane (CP). Hydrate former CP helps to reduce the operating conditions, as CP forms hydrate at ambient pressure. However, hydrate formation kinetics due to water-insoluble CP is slow. In this work, the kinetics of hydrate formation in saline water were investigated and compared to identify the utility of CO₂ and N₂ as hydrate formers for desalination work. The addition of CP as a hydrate former should transform the structure of CO₂ hydrate from structure I (sI) to structure II (sII), as CP occupies the large cages (5¹²6⁴) in the gas hydrate. A set of three similar reactors were used for this study to collect data quickly. Furthermore, the triple reactor setup is a unique reactor design mounted on a shaker, and a set of SS-316 balls present inside the horizontal reactor imparts the mixing. Experiments with the CO₂-CP mixture and N₂-CP mixture have been studied in the presence or absence of 3 wt.% NaCl at 274 K and 3 MPa pressure. The gas uptake kinetics, water recovery, and separation efficiency have been investigated.     

二氧化碳水合物浆在圆管中的流动特性

实验研究了固相分数为8.2%～23.1%的CO₂水合物浆在内径为8 mm的圆管中的流动特性。结果发现水合物浆在管内的流动压降随着流速的增加而增大。当流速低于0.60 m·s^-1时,浆体流变指数小于1,且随着固相体积分数的增大而减小,CO₂水合物浆为H-B流体,其表观黏度随着流速的增大而减小,呈剪切变稀特性。剪切速率为600 s^-1时,CO₂水合物浆的表观黏度为8.5～10.6 mPa·s。实验得到了CO₂水合物浆的流变特征参数及其流变方程,可为CO₂水合物浆的流动及其应用研究提供理论指导。     

Diamine versus amines blend for CO2 chemical absorption

Present work analyses the behavior of aqueous solutions of N,N-dimethylethylenediamine as chemical solvent for carbon dioxide separation by gas–liquid absorption. The interest of this molecule is centered on the presence of different types of amino centers that confer it the capability to act as a solvent based on amines blend. For this reason, a comparison between diamine and amines blend solvent has been carried out in order to understand the differences between these solvents using absorption and nuclear magnetic resonance studies. This experimental work analyses the influence of amine type, concentration, and ratio between different amines. Also, the effect of gas flow rate used in the bubble column reactor upon the absorption kinetics has been analyzed.