【摘要】：水合物法天然氣儲(chǔ)存技術(shù)可實(shí)現(xiàn)在中溫段(約273 K)和相對(duì)溫和壓力(P=3~10 MPa)的工況條件高密度儲(chǔ)存天然氣。為了解決甲烷水合物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)相對(duì)緩慢的問題,以及實(shí)現(xiàn)更低工況壓力下高密度儲(chǔ)存天然氣目標(biāo),本文著眼于傳熱強(qiáng)化與傳質(zhì)強(qiáng)化兩方面,對(duì)甲烷水合物生長(zhǎng)的傳熱傳質(zhì)雙強(qiáng)化效應(yīng)和雙重傳質(zhì)強(qiáng)化效應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。向靜態(tài)0.03wt%SDS溶液甲烷水合體系中加入兩種疏水泡沫金屬(鋁/銅,其對(duì)應(yīng)孔隙率分別為72.8%或95.0%),研究表明,在誘導(dǎo)成核結(jié)束后15 min內(nèi)儲(chǔ)氣過程中:(1)疏水涂層存在下,疏水泡沫鋁-SDS溶液復(fù)合體系與泡沫鋁-SDS溶液復(fù)合體系相比儲(chǔ)氣量最高可提升38.7%,儲(chǔ)氣工況壓力可降低約1 MPa,說明疏水泡沫鋁具有更好的傳質(zhì)強(qiáng)化效應(yīng);(2)疏水泡沫鋁和疏水泡沫銅的加入可分別將靜態(tài)SDS溶液體系的儲(chǔ)氣量最高提升87.1%和26.2%,并促使工況壓力較低體系進(jìn)行甲烷水合過程:首先,疏水泡沫鋁/銅+空氣復(fù)合導(dǎo)熱系數(shù)分別為4.716 W/(m·K)和2.205 W/(m·K),均比純水導(dǎo)熱系數(shù)0.58W/(m·K)大,其加入可強(qiáng)化甲烷水合物生長(zhǎng)傳熱過程;其次,疏水泡沫金屬中的疏水涂層使液相表面收縮,為甲烷在液相中的運(yùn)動(dòng)提供通道,強(qiáng)化甲烷水合物生長(zhǎng)傳質(zhì)過程。因而疏水泡沫金屬對(duì)于甲烷水合體系具有傳熱傳質(zhì)雙強(qiáng)化效應(yīng)。向高孔隙率疏水泡沫銅骨架中填充干水介質(zhì),其首次儲(chǔ)氣以及二次循環(huán)儲(chǔ)氣的儲(chǔ)氣量基本保持一致。然而干水體系高度分散結(jié)構(gòu)不利于體系熱量快速傳導(dǎo),其導(dǎo)熱系數(shù)與水溶液相比下降了36%,因而疏水泡沫銅對(duì)干水體系水合儲(chǔ)甲烷的促進(jìn)作用不如泡沫銅。本文考察亮氨酸干溶液(亮氨酸+干水)對(duì)甲烷水合過程的影響:亮氨酸溶液可以將甲烷氣以“甲烷氣泡”的形式分散到水中-“分散甲烷氣”,干水將水溶液以“硅包水”結(jié)構(gòu)分散到氣相中-“分散水”,二者共同作用達(dá)到雙重傳質(zhì)強(qiáng)化的效果。研究表明亮氨酸干溶液的最佳亮氨酸濃度為0.5 wt%,誘導(dǎo)成核結(jié)束后100 min儲(chǔ)氣量可達(dá)159.61 V/V,與相同工況條件下干水體系相比提升超過10%。通過本文對(duì)靜態(tài)甲烷水合物生長(zhǎng)過程的傳質(zhì)傳熱雙強(qiáng)化效應(yīng)和雙重傳質(zhì)強(qiáng)化效應(yīng)的研究,水合物法甲烷儲(chǔ)存性能進(jìn)一步提升,可為水合物儲(chǔ)氣的工業(yè)化應(yīng)用提供指導(dǎo)。
【圖文】：

程并進(jìn)入至大籠中使水合物相平衡條件發(fā)生偏移同時(shí)，卻削弱了 sII 型以及 sH實(shí)際儲(chǔ)存甲烷的能力。而美國(guó)能源部 (Department of Energy, DOE) 最近將車載存材料的目標(biāo)儲(chǔ)量從原先的 180 V/V 提升至 263 V/V[23]，因此部分學(xué)者專注于水合物結(jié)構(gòu)儲(chǔ)存甲烷性能的研究，通過加入不同類型的材料強(qiáng)化甲烷水合傳質(zhì)程。不同氣體分子進(jìn)入至水合物籠型結(jié)構(gòu)有難易之分，，當(dāng)混合氣體參與水合反應(yīng)時(shí)合條件較溫和的氣體則大部分固定于水合物相，水合條件苛刻的氣體則存留于中，氣-固兩相達(dá)到平衡態(tài)時(shí)即可實(shí)現(xiàn)氣體的富集，因而水合物技術(shù)可應(yīng)用于技術(shù)領(lǐng)域當(dāng)中。目前常見的水合分離研究的混合氣有 CH4+CO2[24-27]、H2+CO2[284+H2[31]、N2+CO2[32]等；另外，從含二氧化碳混合氣體水合分離技術(shù)又可延伸至碳捕獲技術(shù)當(dāng)中[33, 34]。CH4+CO2（沼氣、生物氣）分離及利用流程如圖 1-3 所示Babu 等撰寫的水合物法分離技術(shù)綜述制作而成[35]）。

基酸分子結(jié)構(gòu)中擁有氨基 (-NH2) 和羧基 (-COOH) 親水基團(tuán)以及不同的側(cè)鏈取代基團(tuán)展現(xiàn)出一定疏水性時(shí)，該類兩親性氨基酸分子具有表面活性進(jìn)甲烷水合過程的潛力。guyen 等以季銨鹽半籠型水合物為例（如圖 1-6 所示），對(duì)疏水基團(tuán)促進(jìn)甲用機(jī)理進(jìn)行解釋[64]：疏水性添加劑溶解至水溶液后，其與周邊水分子相互水化殼，如圖 1-6(a)所示；水化分子的形成可使局部氣體分子濃度增加，特的籠型結(jié)構(gòu)可作為氣體水合過程的成核位點(diǎn)，如圖 1-6(b)所示，上述兩導(dǎo)成核過程，提高氣體水合速率。項(xiàng)論述進(jìn)一步驗(yàn)證了帶有疏水性側(cè)鏈基團(tuán)的氨基酸分子具有強(qiáng)化甲烷水猜想，與此相反的是，Su 等報(bào)道了含親水性側(cè)鏈的纈氨酸、丙氨酸、甘為水合物熱力學(xué)抑制劑[65]，該類分子在水溶液中對(duì)其周邊的水分子具有強(qiáng)。
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TE81

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2708654