【摘要】：油氣生產(chǎn)裝置和輸送管線中,水合物的形成會導致堵塞的發(fā)生,進一步導致生產(chǎn)安全事故的發(fā)生。油氣管道內(nèi)的氣體和液體在一定的溫度和壓力下轉(zhuǎn)化為水合物顆粒后發(fā)生聚集、沉積是引起環(huán)路內(nèi)水合物堵塞的重要原因。而水合物顆粒與顆粒、水合物顆粒與壁面之間存在的粘附力則是發(fā)生聚集與沉積的關(guān)鍵因素之一。應用顯微操控技術(shù)進行了水合物顆粒與涂層之間的粘附力的測量,從微觀角度探討了涂層的存在對粘附力的影響。在充分理解環(huán)路內(nèi)水合物形成堵塞過程的基礎(chǔ)之上,進行了環(huán)路內(nèi)水合物堵塞形成過程與形貌的探究。并以此為基礎(chǔ),在可視的夾套式反應器中探討了涂層對四氫呋喃水合物生長過程的影響,利用高壓反應釜研究了甲烷水合物在涂層上的生長與分布。測量了裸基底和基底涂層與水合物顆粒之間的粘附力。三種裸基底分別X70,X80和ZrO_2,幾種涂層類型分別是氟硅烷涂層,HBN(六方氮化硼)涂層和W涂層。涂覆涂層后的表面與水合物顆粒之間的粘附力比裸基底表面與水合物顆粒之間粘附力小10%~90%。說明了涂層的存在可以減小水合物顆粒的粘附力。本文自行設(shè)計并安裝了一套可視環(huán)路裝置,該裝置最高可以耐15Mpa的壓力。整個環(huán)路總長為33米,體積為40L。整個環(huán)路采用的是夾套式設(shè)計,內(nèi)管的內(nèi)徑為25.4mm,套管內(nèi)通入酒精作為制冷劑,在整個實驗過程當中確保溫度能控制在實驗的范圍之內(nèi)。以四氫呋喃(THF)水溶液為介質(zhì),在50 vol%LL,100 vol%LL和100 vol%LL+AA三種體系下(持液量:Liquid Loading,LL;防聚劑:Anti-agglomeration,AA),探討了環(huán)路內(nèi)THF水溶液形成水合物堵塞的過程及形貌變化。結(jié)果表明,在沒有加入AA的條件下,體系更容易形成體積較大的水合物顆粒。對比于50 vol%LL,100 vol%LL條件下體系更容易形成水合物堵塞。50 vol%L體系下,水合物沉積更易出現(xiàn)在環(huán)路液面的氣相空間的管壁上,反而在液相內(nèi)部較少有水合物顆粒的沉積。無論是50 vol%LL還是100 vol%LL體系,水合物堵塞都是從內(nèi)壁面的水合物顆粒沉積開始的。AA的加入減緩了水合物顆粒之間的聚集程度,使得形成的水合物顆粒更加分散與細膩。在一定冷量的輸入條件下,三種體系最終都形成了水合物堵塞,但是AA的加入明顯減小了水合物顆粒的大小以及減緩了水合物顆粒的聚集沉積和堵塞程度。利用夾套式反應器,觀察了涂層對THF水合物生長的影響過程。結(jié)果表明,基底形狀是影響水合物生長的因素之一。涂料中的SiO_2添加量越大,水合物在其涂層表面生長速率越慢。水合物在涂層表面的生長過程是由基底邊緣慢慢向中間轉(zhuǎn)化的。水合物生長過程遵循傳熱優(yōu)先傳質(zhì)次之的基本機理。水合物在涂層表面的分解最開始是由靠近壁面的位置開始的。基底的形狀對分解過程影響不大。在高壓反應釜內(nèi)進行了甲烷水合物在基底涂層表面的生長實驗。相比于涂層基底而言,水合物更傾向于在非涂層基底表面上生長。靠近氣相上部空間的區(qū)域水合物形成少,基本以水合物顆粒存在為主,靠近液相上部空間的區(qū)域水合物形成量大,主要以水合物塊為主,而液相與氣相的中間部位則主要是以水合物膜為主。
【圖文】：

第一章 緒論第一章 緒 論能源是經(jīng)濟發(fā)展的生命線，更是人類活動與文明延續(xù)的物質(zhì)基礎(chǔ)。當前世界能支柱分別是煤炭、石油和天然氣。自從第二次工業(yè)革命以來，，人們生活水平的業(yè)的快速發(fā)展并駕齊驅(qū)，傳統(tǒng)的煤炭和石油消耗迅速，隨之而來的天然氣可能來主要的不可再生能源之一[1, 2]。天然氣是一種高效并且清潔的能源，相對于油而言，天然氣有利于保護環(huán)境和經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，未來天然氣的需求量呈長趨勢。隨著油氣開采逐漸向深海進行以及天然氣管網(wǎng)逐步普及，油氣環(huán)路安問題也變得重中之重[3, 4]。2010 年墨西哥灣深水 地平線 爆炸事件，以及 201島黃島輸油環(huán)路爆炸事件將油氣環(huán)路的安全輸送問題推到了輿論的風口浪尖。

似冰狀的晶體結(jié)構(gòu)[10]。氣體水合物是一種非化學計量的晶體化合物[11]，這些分子周圍圍繞著一些特殊氣體分子，如甲烷、乙烷和二氧化碳[12]。氣體水合物一般會在高壓和低溫條件下形成，這些是水合物形成的熱力學穩(wěn)定條件[13]。氣體水合物又稱為籠型固體化合物（Clathrates of Natural Gas）[4, 14]。氣體水合物（Natural Gas Hydrate: NGH）的穩(wěn)定性是由客體分子在籠穴中的占有率決定的，當氣體分子的直徑與晶體孔穴大小相匹配時才能形成穩(wěn)定的水合物晶體結(jié)構(gòu)[14]。I 型 II 型 H 型
【學位授予單位】：華南理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TE973;TG174.4

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本文編號：2660870