【摘要】：水合物法天然氣儲存技術(shù)可實現(xiàn)在中溫段(約273 K)和相對溫和壓力(P=3~10 MPa)的工況條件高密度儲存天然氣。為了解決甲烷水合物生長動力學(xué)相對緩慢的問題,以及實現(xiàn)更低工況壓力下高密度儲存天然氣目標,本文著眼于傳熱強化與傳質(zhì)強化兩方面,對甲烷水合物生長的傳熱傳質(zhì)雙強化效應(yīng)和雙重傳質(zhì)強化效應(yīng)進行了系統(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)合體系相比儲氣量最高可提升38.7%,儲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溶液體系的儲氣量最高提升87.1%和26.2%,并促使工況壓力較低體系進行甲烷水合過程: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,其加入可強化甲烷水合物生長傳熱過程;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動提供通道,強化甲烷水合物生長傳質(zhì)過程。因而疏水泡沫金屬對于甲烷水合體系具有傳熱傳質(zhì)雙強化效應(yīng)。向高孔隙率疏水泡沫銅骨架中填充干水介質(zhì),其首次儲氣以及二次循環(huán)儲氣的儲氣量基本保持一致。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%,因而疏水泡沫銅對干水體系水合儲甲烷的促進作用不如泡沫銅。本文考察亮氨酸干溶液(亮氨酸+干水)對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”,二者共同作用達到雙重傳質(zhì)強化的效果。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儲氣量可達159.61 V/V,與相同工況條件下干水體系相比提升超過10%。通過本文對靜態(tài)甲烷水合物生長過程的傳質(zhì)傳熱雙強化效應(yīng)和雙重傳質(zhì)強化效應(yīng)的研究,水合物法甲烷儲存性能進一步提升,可為水合物儲氣的工業(yè)化應(yīng)用提供指導(dǎo)。
【圖文】：

程并進入至大籠中使水合物相平衡條件發(fā)生偏移同時，卻削弱了 sII 型以及 sH實際儲存甲烷的能力。而美國能源部 (Department of Energy, DOE) 最近將車載存材料的目標儲量從原先的 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)儲存甲烷性能的研究，通過加入不同類型的材料強化甲烷水合傳質(zhì)程。不同氣體分子進入至水合物籠型結(jié)構(gòu)有難易之分，，當混合氣體參與水合反應(yīng)時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-固兩相達到平衡態(tài)時即可實現(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) 親水基團以及不同的側(cè)鏈取代基團展現(xiàn)出一定疏水性時，該類兩親性氨基酸分子具有表面活性進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），對疏水基團促進甲用機理進行解釋[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，如圖 1-6(b)所示，上述兩導(dǎo)成核過程，提高氣體水合速率。項論述進一步驗證了帶有疏水性側(cè)鏈基團的氨基酸分子具有強化甲烷水猜想，與此相反的是，Su 等報道了含親水性側(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其周邊的水分子具有強。
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TE81

【參考文獻】

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本文編號：2708654