基于群体平衡理论的管内水合物浆流动特性数值模拟

水合物浆的流动特性对深水油气管道的流动安全保障和水合物法气体储运的工业推广具有重要意义。目前已有的水合物浆液流动特性数值模拟方法存在较多的缺陷及不足,为此本文引入了基于水合物颗粒聚集动力学的群体平衡模型。该模型重点考虑水合物颗粒在流动过程中的碰撞频率、聚并效率、破碎频率及破碎后子颗粒的粒径分布函数,可较好地描述管内水合物颗粒的流动行为。根据文献中的实验装置建立三维几何模型,利用Fluent 14.5软件对上述群体平衡模型和相关固液两相流模型进行联合求解,借此模拟流速及水合物体积分数对水合物浓度分布、水合物颗粒粒径分布和流动压降等水合物浆流动特性的影响。本文模拟结果与文献中相关实验数据吻合良好,可为水合物浆技术的规模应用提供借鉴。     

管道流动体系中水合物颗粒粒径分布特性数值模拟

研究管道内水合物颗粒的粒径分布特性对深水流动安全保障具有十分重要的意义。为模拟管道流动体系中水合物颗粒的粒径分布特性,本文首先建立了基于水合物颗粒聚集动力学的群体平衡模型。该模型重点考虑水合物颗粒在流动过程中的碰撞频率、聚并效率、破碎频率及破碎后子颗粒的粒径分布函数,可较好地刻画管内水合物颗粒的流动行为。随后,根据文献中的实验装置建立三维几何模型,利用FLUENT 14.5软件对上述群体平衡模型和相关固液两相流模型进行联合求解,借此模拟水合物颗粒初始粒径分布、水合物体积分数、管内流速和水合物颗粒初始粒径大小对管内水合物颗粒粒径分布类型及分布规律的影响。本文模拟结果与文献中相关实验数据吻合良好,可为水合物防治技术的发展提供技术支持。     

水合物颗粒聚集频率影响因素及正交试验

水合物颗粒聚集频率研究对深水油气管道的流动安全保障和水合物浆技术的工业推广具有重要意义。本文首先定义了水合物颗粒的聚集频率并分别给出了纯水体系和油水体系中水合物颗粒聚集频率的计算公式。根据聚集频率计算公式,影响纯水体系中水合物颗粒聚集的因素主要为剪切速率、颗粒粒径、哈梅克常数和纯水黏度。影响油水体系中水合物颗粒聚集的因素主要为剪切速率、颗粒粒径、油水界面张力、接触角和油水黏度。然后,根据相关参考文献选取各影响因素取值并基于聚集频率计算公式分别计算并分析了各影响因素对水合物颗粒聚集频率的作用规律。最后,通过正交试验设计,分别确定了纯水体系和油水体系中各影响因素的影响次序及其最优组合。本文的研究成果可为深水流动安全保障和水合物浆技术提供理论支持。     

海域水合物钻采水基钻井液中甲烷水合物聚集特性试验探讨

建立了水基钻井液中水合物聚集特性评价试验模拟装置,利用扭矩测试法分析了纯水中甲烷水合物生成过程中水合物颗粒聚集特性及变化规律,并对纯水中防聚剂抑制水合物颗粒聚集性能进行了试验评价.试验结果表明:在水合物生成过程中,扭矩值随水合物转化率的增大先平稳增加,然后剧烈波动,当水合物转化率达27％以上时,易产生水合物聚集构成流动...     

天然气水合物颗粒微观受力及聚集特性研究进展

水合物颗粒微观受力和聚集是影响水合物浆稳定流动的关键,本文调研了国内外研究水合物颗粒受力和聚集常用的测量装置,主要有聚焦光束反射测量仪、颗粒图像显微镜、高压差示扫描量热仪、微机械测力装置;受力测量和理论研究证明了毛细液桥力是导致水合物颗粒聚集的主要黏附力;介绍了常用于水合物聚集特性研究的受力平衡模型,通过该模型可以计算得到水合物颗粒最大临界聚集粒径;总结了众学者提出的水合物颗粒聚集机理,并阐述了基于群体平衡模型建立的接触诱导-剪切限制聚集机理的物理模型,该模型能够很好地描述水合物颗粒的动态聚集过程;水合物颗粒微观受力和聚集机理的深入研究和明确将对石油天然气的输送具有非常重大的意义,确定防聚集对水合物聚集的影响是未来研究的重点。     

基于化学亲和力模型的水合物生成动力学

水合物生成促进及动力学模型是水合物利用技术的关键问题。本文回顾了水合物生成促进技术的发展,实验研究了氧化石墨烯（GO）与十二烷基硫酸钠（SDS）复配促进剂体系下CO₂水合物的生成动力学,揭示了不同浓度对水合物生成时间、耗气的影响规律。研究结果表明,在GO与SDS复配体系下,CO₂水合物生成速度加快,诱导时间和生成时间缩短,耗气量增大。得出最佳复配浓度为0.005%GO+0.2%SDS,与纯水和单一0.005%GO体系相比,水合物的生成时间分别缩短69.7%和12.2%,耗气量提高11.24%和3.2%。建立了该体系下CO₂水合物生成化学亲和力模型,并从模型角度研究了GO与SDS复配比例、温度和压力对化学亲和力模型参数的影响。利用Matlab对模型编程计算并与实验结果进行了对比分析,吻合很好。通过研究认为,化学亲和力模型可准确预测复配体系水合物的生成。     

水合物分解和生成的动力学模型

水合物的动力学研究一般分为分解动力学和生成动力学,其动力学模型可以划分为宏观模型和微观模型。本文对水合物分解、生成的主流动力学模型进行介绍,包括Jamaluddin模型、Goel模型、Komai模型、Englezos模型、Bergeron—Servio模型。最后,提出建立一个分解和生成双过程统一的动力学模型设想。     

石英砂中甲烷溶解运移体系水合物生成与聚集实验分析

建立了可模拟海底天然气水合物形成环境的大型三维成藏实验模拟装置,其主体高压反应釜内径500 mm,高1000 mm。在此基础上,采用填砂模型,进行了甲烷溶解运移体系下甲烷水合物生成与聚集过程的实验模拟分析。实验流程为：甲烷溶解于NaCl溶液中,再泵送进入高压反应釜,在沉积层中渗流并生成甲烷水合物。通过30个电阻率传感器监测甲烷水合物的生成和聚集过程。实验结果表明,甲烷溶解运移体系下甲烷水合物生成之后首先分散在溶液中,当溶液的总甲烷浓度（溶解的甲烷及水合物分散相中的甲烷）达到操作条件下盐溶液体系甲烷饱和溶解度后,甲烷水合物从溶液中析出。电阻率分布实验结果表明,析出甲烷水合物的聚集区域受溶液流动控制。     

基于OpenFOAM的竖直管内气-液-水合物流动特性研究

针对天然气水合物开采过程中涉及的复杂气液固三相流动问题,基于群体平衡模型,提出了新的水合物颗粒聚并破碎模型组合,同时考虑了气泡的聚并破碎行为,运用开源CFD软件OpenFOAM对建立的模型进行求解验证。考察了入口流速、气相和水合物颗粒体积分数对竖直管内气-液-水合物流动特性的影响。结果表明：所建立的模型准确有效,各相的浓度分布、气泡的平均粒径径向分布和水合物颗粒平均粒径大小受水合物颗粒体积分数的影响很大,压力损失梯度随着流速的增加先减小后增大,存在特定工况下的最优流速,气相体积分数的增加会让管内流体的压力损失梯度明显减小。     

喷雾反应器中甲烷水合物生长动力学模型

提出了喷雾反应器中甲烷水合物的形成机理,并引入传质对水合反应影响的有效因子等参数,得到了喷雾法生成水合物的改进动力学方程.通过实验验证,实验数据与模型计算数据基本吻合,平均误差为4.63%.方程回归得出甲烷水合物表观活化能(Ea)为54.25 kJ/mol,根据文献结果,说明喷雾反应器中甲烷水合物生长过程由表面反应所控制.     

湍流聚团过程中非球形颗粒聚团碰撞频率分析研究

基于群体平衡模型（PBM）和计算流体动力学（CFD）的耦合方法模拟了湍流聚并器中黏性颗粒的聚团过程和流化行为。考虑到流体作用力和范德华力对颗粒聚团的影响,引入了聚团碰撞效率,同时考虑非球形颗粒聚团局部孔隙率沿径向逐渐增大的影响,引入分形维数。通过碰撞效率和分形维数对碰撞频率模型进行了改进。并与EDEM模拟计算结果和实验结果进行了对比。体积分数的结果显示,EDEM模拟的结果与实验结果的平均相对误差为16.34%,而改进模型与实验结果的平均相对误差仅为7.39%。而数量分数方面,EDEM模拟的结果与实验结果的平均绝对误差为5.36%,而改进模型与实验结果的平均绝对误差仅为2.28%。因此改进模型模拟结果更接近实验结果。     

二项式分布在种群平衡模型模拟粒度分布中的应用

提出了一种适用于几何网格的子粒子二项式分布函数,并应用于种群平衡模型模拟活性污泥絮凝后的粒度分布。结果表明：与二元分布相比,该二项式分布可以得到更准确的粒度分布和平均粒度模拟值;通过校核二项式分布参数C_p的取值,可以提高粒度分布和平均粒度的模拟精度。相比于二元分布或正态分布只能描述一种类型的子粒子分布,该二项式分布具有较强的适应性,调整参数C_p的取值,可以得到更多可能的子粒子分布;参数C_p还可以表征粒子的破碎方式--较小的C_p值表征粒子具有较强的稳定性,易破碎生成较大的子粒子;较大的C_p值表征粒子具有较弱的稳定性,易破碎生成较小的子粒子。     

基于PBM的L-谷氨酸粒度分布控制优化

针对β型L-谷氨酸冷却结晶过程,为获取期望粒度分布,采用特征曲线法（MOCH）来建立关于粒度相关生长率的种群平衡方程（PBE）,然后通过对种群平衡模型（PBM）参数辨识后确定最优过饱和度及控温曲线。由于辨识模型参数的目标函数具有非线性和非凸型性,因而采用少量经济性的批量冷却结晶实验,结合图像分析晶种和产品粒度分布得到的统计数据,拟合模型参数。根据实际要求的结晶过程时间,为达到目标粒度分布,通过优化结晶过程的过饱和度获得最优调温曲线,实现基于恒定过饱和度的晶体生长过程优化控制。实验结果表明通过优化的控温曲线,实现了基于最优过饱和度控制的期望目标粒度分布。     

四氢呋喃和一氟二氯乙烷水合物颗粒聚结特性

实验研究了四氢呋喃（THF）水合物和一氟二氯乙烷（HCFC-141b）水合物颗粒聚结特性,将实验得到的水合物颗粒聚结粒度分布（PSD）与正态分布、对数正态分布、伽马分布、威布尔分布拟合曲线对比,探讨了初始四氢呋喃溶液和一氟二氯乙烷溶液浓度以及搅拌速度对水合物颗粒聚结的影响,并对四氢呋喃水合物和一氟二氯乙烷水合物颗粒特性进行了对比。结果表明,四氢呋喃水合物和一氟二氯乙烷水合物颗粒聚结粒径符合对数正态分布;初始溶液浓度越低、搅拌速度越大,水合物颗粒聚结粒径越小,可以起到防治水合物颗粒聚结的作用;四氢呋喃水合物颗粒粒径是一氟二氯乙烷水合物颗粒粒径的1.3倍左右,从成浆输送的角度来说,一氟二氯乙烷水合物颗粒更易于在管道中输送。     

群体平衡方程在搅拌反应器模拟中的应用

群体平衡方程（population balance equation,PBE）是描述多相流体系中分散相大小与分布随时空变化的通用方程。搅拌反应器内多为多相流体系,考虑到颗粒聚并、破碎等微观机制对颗粒大小、分布、粒数密度等宏观参量的影响,采用PBE对搅拌槽内多相流体系进行数值模拟,可以较准确预测搅拌槽内流场和颗粒的大小与分布。对群体平衡方程在搅拌反应器数值模拟中的应用进行了综述,在简要介绍PBE的基本形式后,讨论了PBE的主要数值求解方法,然后着重介绍近年来采用PBE对搅拌槽内液固沉淀过程、气液及液液体系进行数值模拟的情况,并对今后的研究方向进行了展望。     

水合物流动环路实验研究进展

作为水合物研究的重要手段之一,水合物环路实验研究因其能够模拟管输体系中的水合物生成、流动及堵塞规律,得到国内外众多研究者的青睐。本文介绍了法国Archimede环路、法国IFP-Lyre环路、美国ExxonMobil环路、美国塔尔萨大学FAL环路、澳大利亚Hytra环路、挪威NTNU环路、挪威SINTEF环路、挪威Petreco A/S高压轮形环路、中国科学院GIEC水合物实验环路、中国CUPB化工实验环路和中国CUPB储运实验环路11条国内外水合物实验环路的主要设计参数和实验工艺流程等基本概况。从流动体系水合物生成研究、水合物浆液流动特性研究、水合物堵管机理及风险控制研究、水合物颗粒聚并及粒径分布研究等4个方面,总结了基于水合物环路实验所获得的研究进展及主要成果。为未来更具功能特色的水合物实验环路的搭建提供了设计思路和参考意见。并指出后续深入开展水合物环路实验研究,应将宏观实验数据分析与微观测试手段相结合,优化实验方案,明确实验目标,以揭示水合物相关基础研究的本征机理。