張保勇，　劉金華，　周泓吉

(1.黑龍江科技大學(xué) 安全工程學(xué)院， 哈爾濱 150022；2.黑龍江科技大學(xué) 瓦斯等烴氣輸運(yùn)管網(wǎng)安全基礎(chǔ)研究國家級專業(yè)中心實(shí)驗(yàn)室， 哈爾濱 150022)

?

瓦斯水合物誘導(dǎo)時(shí)間影響因素實(shí)驗(yàn)研究

張保勇1,2，劉金華1,2，周泓吉1,2

(1.黑龍江科技大學(xué) 安全工程學(xué)院， 哈爾濱 150022；2.黑龍江科技大學(xué) 瓦斯等烴氣輸運(yùn)管網(wǎng)安全基礎(chǔ)研究國家級專業(yè)中心實(shí)驗(yàn)室， 哈爾濱 150022)

為探究多因素條件下瓦斯水合物誘導(dǎo)時(shí)間及其規(guī)律，利用自主設(shè)計(jì)的高壓可視水合實(shí)驗(yàn)裝置，由成核動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)確定了氣體組分、NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)及驅(qū)動(dòng)力三種因素對瓦斯水合物誘導(dǎo)時(shí)間影響的程度，采用極差法和方差法對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。結(jié)果表明：隨著瓦斯中甲烷減少、丙烷增加，水合物的平均誘導(dǎo)時(shí)間先減少后增加；隨著NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)或驅(qū)動(dòng)力Δp增加，水合物平均誘導(dǎo)時(shí)間逐漸減少；氣樣G2、NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5%、驅(qū)動(dòng)力1.5 MPa條件下瓦斯水合物誘導(dǎo)時(shí)間最短；驅(qū)動(dòng)力Δp較氣體組分對水合物誘導(dǎo)時(shí)間影響顯著性強(qiáng)，NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)的顯著性較弱。

瓦斯水合物； 成核動(dòng)力學(xué)； 誘導(dǎo)時(shí)間； 影響因素； 顯著性

0　引　言

加快煤礦瓦斯抽采利用，是貫徹落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀，推進(jìn)煤礦安全發(fā)展、清潔發(fā)展、節(jié)約發(fā)展的必然要求[1]。2012年，我國煤礦瓦斯抽采量114億m3，利用量38億m3，排放量76億m3，在污染環(huán)境的同時(shí)也浪費(fèi)了清潔瓦斯能源。瓦斯利用率不高的主要原因是抽采瓦斯中甲烷濃度較低，直接利用技術(shù)稀缺，遠(yuǎn)距離輸送困難。因此，亟須一種瓦斯分離提純安全高效的新方法。2005年，文獻(xiàn)[2-3]中提出利用瓦斯水合技術(shù)進(jìn)行瓦斯分離，與其他傳統(tǒng)分離方法相比，其具有分離條件溫和、適用瓦斯氣源濃度范圍廣等特性[4-5]。

水合分離技術(shù)是利用瓦斯混合氣中主要組分(CH4、N2、O2等)形成水合物相平衡溫壓條件差異，使CH4盡可能高效率地發(fā)生水合固結(jié)，從而實(shí)現(xiàn)從瓦斯混合氣中分離提純的目的。瓦斯氣體水合物生成過程包括水合物晶體成核和生長兩個(gè)階段[6]，誘導(dǎo)時(shí)間是水合物成核動(dòng)力學(xué)中的重要參數(shù)，針對誘導(dǎo)時(shí)間影響規(guī)律開展研究，有助于篩選出顯著改善瓦斯水合工藝條件，對分離技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用具有重要科學(xué)意義。

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對氣體水合物誘導(dǎo)時(shí)間影響開展了研究工作。對不同組分混合氣水合物研究發(fā)現(xiàn)[7-9]，氣樣組分差異不僅影響水合物形成的熱力學(xué)條件，同時(shí)影響水合物的誘導(dǎo)時(shí)間；對NaCl溶液體系水合物研究發(fā)現(xiàn)[10-14]，相比純水體系水合物生成壓力較高，是一種常見的熱力學(xué)抑制劑，當(dāng)NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí)，其抑制效果并不明顯，反而導(dǎo)致更多的水合物晶體析出，在一定程度上促進(jìn)了水合物的生成，縮短了水合物的誘導(dǎo)時(shí)間；對不同壓力條件下水合物研究發(fā)現(xiàn)[15-18]，生成水合物的推動(dòng)力一般是氣體在氣相和水合物相的逸度差，當(dāng)溫度一定時(shí)，體系壓力越高，氣相和水合物相逸度差越大，推動(dòng)力越大；當(dāng)壓力增大至“極大值”時(shí)，將抑制氣體水合物晶核的形成和生長。綜上所述，三種因素對水合物生成均有一定的促進(jìn)作用，而多因素條件下瓦斯水合物誘導(dǎo)時(shí)間影響的研究及各影響因素間顯著性比較鮮見報(bào)道。

據(jù)此，筆者擬利用高壓可視瓦斯水合實(shí)驗(yàn)裝置開展NaCl溶液中多元瓦斯氣體水合物成核動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，以期獲得氣體組分、NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及驅(qū)動(dòng)力Δp對誘導(dǎo)時(shí)間的影響以及顯著性規(guī)律。

1　實(shí)驗(yàn)原理

瓦斯水合物生成過程根據(jù)氣相壓力變化可以分為四個(gè)部分，如圖1所示。

圖1　瓦斯水合過程

初始狀態(tài)溶液中無客體分子(a)，隨著瓦斯氣的溶解(AB)，氣體逐漸消耗，氣相壓力降低，溶解的氣體分子與水分子形成不穩(wěn)定簇(b1)。當(dāng)氣體溶解至平衡點(diǎn)，水合物進(jìn)入成核過程(BC)，壓力趨于穩(wěn)定，不穩(wěn)定簇通過共享表面聚集，同時(shí)聚集會(huì)起到抑制作用(b2)，當(dāng)不穩(wěn)定簇聚集的大小達(dá)到臨界值時(shí)(c)，達(dá)到水合物成核點(diǎn)。水合物進(jìn)入生長階段(CD)，氣體消耗量迅速增加，壓力降低，直至水合物生長結(jié)束。

瓦斯水合物誘導(dǎo)時(shí)間是出現(xiàn)一定數(shù)量可探測體積水合物相所需要的時(shí)間，是水合物形成過程中重要參數(shù)。截取實(shí)驗(yàn)所獲得的壓力-時(shí)間曲線中氣相壓力較為平緩的一段時(shí)間即為誘導(dǎo)時(shí)間。文中采用正交實(shí)驗(yàn)研究在三因素三水平不同體系下瓦斯水合物的誘導(dǎo)時(shí)間，該方法與傳統(tǒng)全面實(shí)驗(yàn)相比具有實(shí)驗(yàn)次數(shù)少、數(shù)據(jù)點(diǎn)分布均勻和結(jié)論可靠等優(yōu)點(diǎn)，可以通過較少的實(shí)驗(yàn)對結(jié)果進(jìn)行極差和方差分析得出結(jié)論[19-23]。

2　材料與裝置

瓦斯水合動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)所用瓦斯氣樣據(jù)煤礦抽采瓦斯組分配比，由哈爾濱通達(dá)特種氣體有限公司提供。其中，G1：φ(CH4)=85%，φ(CO2)=5%，φ(C3H8)=5%、φ(N2)=2%、φ(O2)=3%；G2：φ(CH4)=70%、φ(CO2)=5%、φ(C3H8)=10%、φ(N2)=12%、φ(O2)=3%；G3：φ(CH4)=55%、φ(CO2)=5%、φ(C3H8)=15%、φ(N2)=22%、φ(O2)=3%。試劑NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)不少于99.5%，由哈爾濱試劑化工廠提供。實(shí)驗(yàn)用水為自制蒸餾水。實(shí)驗(yàn)各因素水平如表1所示。

表1　瓦斯水合動(dòng)力學(xué)影響因素與水平

自主研制煤礦瓦斯水合高壓實(shí)驗(yàn)裝置，如圖2所示。實(shí)驗(yàn)裝置主要包括：可視高壓反應(yīng)釜，用于水合物在不同體系中生成實(shí)驗(yàn)，容積為150 mL，最高承受壓力20 MPa；恒溫空氣浴控制箱，為反應(yīng)釜內(nèi)水合物生成提供穩(wěn)定的環(huán)境溫度；壓力系統(tǒng)，包括氣瓶、氣體增壓泵、空氣壓縮機(jī)等；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，包括溫度/壓力傳感器、CCD攝像系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集器組件等。

圖2　瓦斯水合動(dòng)力學(xué)高壓實(shí)驗(yàn)裝置

3　實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

3.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

基于實(shí)驗(yàn)室前期所完成在三種NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)溶液中不同瓦斯氣樣的水合物相平衡實(shí)驗(yàn)，確定在不同因素及水平下的正交實(shí)驗(yàn)初始熱力學(xué)條件(表2)，排除各因素對相平衡條件的影響。氣體組分、NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)、驅(qū)動(dòng)力Δp均對水合物誘導(dǎo)時(shí)間有一定影響，其中單一因素水平發(fā)生變化時(shí)，其余兩因素水平值并未隨之變化，三種因素間并無交互作用，因此，可以設(shè)計(jì)三因素三水平的瓦斯水合物生成動(dòng)力學(xué)正交實(shí)驗(yàn)表格L9(34)。正交實(shí)驗(yàn)方案中D列為空白列，用以估計(jì)實(shí)驗(yàn)誤差。根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案完成瓦斯水合物成核動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，獲取九組實(shí)驗(yàn)的水合物誘導(dǎo)時(shí)間，正交實(shí)驗(yàn)見表2。

表2　瓦斯水合動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果

3.2水合物誘導(dǎo)時(shí)間影響因素分析

3.2.1極差分析

極差分析是通過計(jì)算和比較目標(biāo)參數(shù)極差進(jìn)行處理和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法。計(jì)算因素x(A，B，C)在各水平的誘導(dǎo)時(shí)間之和及其平均數(shù)：

(1)

表3　瓦斯水合物影響因素極差表

極差是在因素x中的最大水平和均值與最小水平和均值的差值。因素x的極差較大，表明因素x在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)對瓦斯水合物誘導(dǎo)時(shí)間影響顯著。將上述所求得的數(shù)據(jù)，以各因素及水平為橫坐標(biāo)，平均誘導(dǎo)時(shí)間為縱坐標(biāo)，繪制柱狀圖，見圖3。

圖3　瓦斯水合物平均誘導(dǎo)時(shí)間柱狀圖

根據(jù)圖3可知，因素A、B、C的極差分別為119.67、82.00、160.67 min。驅(qū)動(dòng)力Δp的極差最大，說明驅(qū)動(dòng)力Δp在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)變化時(shí)，水合物平均誘導(dǎo)時(shí)間變化最大。三種因素影響強(qiáng)弱順序依次為：C(驅(qū)動(dòng)力Δp)>A(氣體組分)>B(NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù))。進(jìn)一步分析確定：其一，氣樣G1和G3的水合物平均誘導(dǎo)時(shí)間長于G2，三種氣樣對瓦斯水合物平均誘導(dǎo)時(shí)間影響程度依次為G2>G3>G1；第二，隨著NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高，水合物平均誘導(dǎo)時(shí)間逐漸縮短，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到3.5%時(shí)，誘導(dǎo)時(shí)間最短， 三種NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)對瓦斯水合物平均誘導(dǎo)時(shí)間影響程度依次為：3.5%>2.0%>0.5%；第三，驅(qū)動(dòng)力Δp對水合物平均誘導(dǎo)時(shí)間的影響接近線性，驅(qū)動(dòng)力越大，平均誘導(dǎo)時(shí)間越短；三種驅(qū)動(dòng)力對瓦斯水合物平均誘導(dǎo)時(shí)間影響程度依次為1.5 MPa>1.0 MPa>0.5 MPa?；趯θN因素的極差分析，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)確定瓦斯水合物生成的最佳實(shí)驗(yàn)體系：瓦斯氣樣G2、NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%、驅(qū)動(dòng)力Δp為1.5 MPa。

通過極差分析可以較為直觀分析各因素對水合物誘導(dǎo)時(shí)間的影響，并優(yōu)選實(shí)驗(yàn)條件。但不能顧及實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果測定中必然存在的誤差，且各因素對瓦斯水合物誘導(dǎo)時(shí)間影響的重要程度也不能給出準(zhǔn)確的數(shù)量估計(jì)，為了彌補(bǔ)其不足，進(jìn)一步進(jìn)行方差分析。

3.2.2方差分析

(3)

以計(jì)算實(shí)驗(yàn)中各因素及誤差的離差平方和

(4)

表示因素x水平變化時(shí)所引起的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差異。計(jì)算正交實(shí)驗(yàn)各因素的自由度fF以及實(shí)驗(yàn)誤差的自由度fE，fF=fE=2。因素及誤差的離差平方和分別除以各自的自由度,得到平均離差平方和，因素與誤差的平均離差平方和相比后得方差比Fx，F(xiàn)x值的大小反映了因素x對實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響程度強(qiáng)弱，方差比Fx越大，表明因素x對誘導(dǎo)時(shí)間的影響越顯著。方差比服從自由度為(2，2)的F分布，選取顯著水平為0.20和0.25，查表得到F0.20及F0.25的臨界值，計(jì)算結(jié)果如表4所示。因素A、B、C的方差比分別為3.02、1.46、5.26，因素C大于F0.20時(shí)的臨界值，因素A大于臨界值F0.25，表明因素A、C(氣體組分、驅(qū)動(dòng)力Δp)對水合物誘導(dǎo)時(shí)間影響相比于因素B(NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù))更顯著，且因素C為最顯著因素。

表4　瓦斯水合動(dòng)力學(xué)影響因素分析

3.2.3機(jī)理分析

通過極差和方差分析表明，驅(qū)動(dòng)力Δp在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)的增加，可以顯著縮短水合物誘導(dǎo)時(shí)間。根據(jù)亨利定律，在等溫等壓下，氣體在溶液中的溶解度與液面上該氣體的平衡壓力成正比。隨著壓力的增加，氣體分子在溶液中的數(shù)量也逐漸增加，分子間距離減少，為水合物迅速成核提供物質(zhì)基礎(chǔ)。瓦斯水合物成核所需能量可由氣-液界面的偏摩爾Gibbs自由能體現(xiàn)[6]：

VH(pexp-peq),

(5)

式中：VL、VH——分別表示水相和水合物相的體積；

pexp、peq——分別表示實(shí)驗(yàn)和相平衡壓力；

fi，exp、fi，eq——分別為實(shí)驗(yàn)和相平衡時(shí)的逸度值；

xi——組分i(包括水)在混合氣體水合物中的摩爾分?jǐn)?shù)。

隨著驅(qū)動(dòng)力Δp的增加，偏摩爾Gibbs自由能變梯度逐漸增大，推動(dòng)瓦斯水合物加快成核。Δp的增加提高了氣體分子與液面碰撞的次數(shù)，導(dǎo)致水合物成核幾率增加，從而縮短了誘導(dǎo)時(shí)間。

氣體組分是影響水合物誘導(dǎo)時(shí)間的次要因素，且誘導(dǎo)時(shí)間隨著組分濃度變化先減少后增加。由于氣體組分中包含一定的丙烷，通過對多元?dú)怏w水合物生成條件的預(yù)測[25]以及研究相關(guān)參考文獻(xiàn)[26-30]，分析認(rèn)為實(shí)驗(yàn)中僅生成Ⅱ型水合物?；贑hen-Guo水合物生成過程動(dòng)力學(xué)機(jī)理[6]，非極性的氣體分子溶解在水相中，水分子通過氫鍵相連將氣體分子包圍形成胞腔，由于氫鍵的作用力遠(yuǎn)大于范德華力，胞腔的氫鍵基本上是飽和的，且胞腔的大小由氣體分子的直徑?jīng)Q定，因此，一定大小的不同氣體分子僅能形成一種體積大小的胞腔。由于瓦斯氣體生成Ⅱ型水合物，溶解的丙烷最先形成51264十六面體結(jié)構(gòu)的胞腔，當(dāng)這些多面體結(jié)構(gòu)胞腔在水溶液中的濃度達(dá)到一定程度時(shí)，它們才將彼此聯(lián)結(jié)起來，而它們的幾何結(jié)構(gòu)以及水合物的穩(wěn)定性決定了甲烷分子通過形成正十二面體胞腔，將正十六面體的胞腔相連。三種氣樣中G1中丙烷含量較少，丙烷的溶解以及胞腔的形成均是隨機(jī)的，導(dǎo)致丙烷胞腔分布不均勻且間隔較大，聯(lián)結(jié)較為困難，因此G1氣樣的水合物誘導(dǎo)時(shí)間最長。

競爭結(jié)構(gòu)(Competing Structures)為影響Ⅱ型水合物誘導(dǎo)時(shí)間的另一個(gè)因素，水合物Ⅱ型結(jié)構(gòu)要求晶胞中8個(gè)十六面體(51264)孔穴中32個(gè)六邊形以固有的方式連接在一起，但對于兩個(gè)獨(dú)立的非對稱結(jié)構(gòu)的51264孔穴，水合物形成過程中，不同配位數(shù)的不穩(wěn)定簇聚集時(shí)除形成Ⅱ型水合物，還有可能形成其他兩種競爭結(jié)構(gòu)(籃球結(jié)構(gòu)和HSⅡ結(jié)構(gòu))[27]，如圖4所示。三種氣樣中氣樣G3中丙烷的濃度最大，溶液中丙烷形成的胞腔數(shù)量最多，相比前兩種氣樣競爭更為明顯。競爭結(jié)構(gòu)的存在延緩了水合物生成過程，從而增加了誘導(dǎo)時(shí)間。三種氣樣的瓦斯水合物平均誘導(dǎo)時(shí)間呈先減少再增加的趨勢。

圖4?、蛐退衔?1264孔穴兩種不同連接方式

分析認(rèn)為，NaCl對水合物生成有一定促進(jìn)作用，但相比其他兩種因素影響效果并不顯著。純水不是以單個(gè)分子形式存在，而是在分子氫鍵作用下以水分子團(tuán)簇(五聚體或六聚體)的形式存在[31-33]。N?slund等[34]利用X射線吸收光譜(XAS)和X射線拉曼散射光譜(XRS)，發(fā)現(xiàn)在純水中加入NaCl后，NaCl電離后的陰離子Cl-對水分子間氫鍵影響較小，而受陽離子Na+的影響較大，促進(jìn)液態(tài)水形成團(tuán)簇結(jié)構(gòu)，提高了溶液中水分子團(tuán)簇的密度。與純水相比由于僅增加了水分子團(tuán)簇的數(shù)量，略微提高了瓦斯水合物籠型結(jié)構(gòu)形成的幾率，從而縮短水合物成核所需的誘導(dǎo)時(shí)間。因此，NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，溶液中水分子團(tuán)簇結(jié)構(gòu)越多，對瓦斯水合物生成促進(jìn)作用越強(qiáng)，但顯著性較弱。

4　結(jié)　論

(1)利用正交實(shí)驗(yàn)可以從多因素中優(yōu)選瓦斯水合分離條件?；跇O差分析實(shí)驗(yàn)所選三種影響因素對瓦斯水合物誘導(dǎo)時(shí)間影響程度為驅(qū)動(dòng)力Δp>氣體組分>NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)。氣樣G2、NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5%、驅(qū)動(dòng)力1.5 MPa條件下瓦斯水合物誘導(dǎo)時(shí)間最短。

(2)方差分析表明驅(qū)動(dòng)力Δp和氣體組分對水合物誘導(dǎo)時(shí)間影響顯著。Δp的增加不僅加速氣體溶解，為水合物成核提供基礎(chǔ)，而且增大了水合物成核的推動(dòng)力。氣樣中甲烷及丙烷含量決定影響水合物誘導(dǎo)時(shí)間的微觀因素。

(3)NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)相比于驅(qū)動(dòng)力Δp以及氣體組分對誘導(dǎo)時(shí)間的影響并不顯著，但其溶液電離出陰、陽離子形成的水合離子可一定程度影響水分子團(tuán)簇的數(shù)量，從而促進(jìn)瓦斯水合作用。

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(編輯徐巖)

Experimental study on influence factors for induction times of gas hydrates

ZHANGBaoyong1,2，LIUJinhua1,2，ZHOUHongji1,2

(1.School of Safety Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China;2.National Central Laboratory of Hydrocarbon Gas Transportation Pipeline Safety, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

This paper is motivated by the need to explore the impact factor of induction time for gas hydrate. The exploration consists of investigating the effects of the gas component, NaCl concentration and driving force Δpon the induction time of gas hydrate using the independently designed visual high-pressure experimental hydration apparatus; determining the influential intensity and significance levels of the three factors on the induction time by nucleation kinetics experiments; and analyzing the experimental data by range and variance methods. The study demonstrates that the decreased methane and increased propane leads to an initial increase and subsequent decrease in the induction times of the gas mixtures; an increase in NaCl concentration or the driving force Δpis accompanied by a gradual reduction in the average induction times of hydrates; gas hydrate has the shortest induction time in the case of G2gas sample, 3.5% NaCl concentration and 1.5 MPa driving force Δp; and the driving force Δpexerts a more significant effect on the induction time than does the gas component, while NaCl concentration has a weaker significance.

gas hydrate; nucleation kinetics; induction time; influence factor; significance level

2016-02-29

國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(51334005);國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51274267;51404102)

張保勇(1982-),男,安徽省霍邱人,副教授,博士,研究方向:瓦斯水合物理論及應(yīng)用,E-mail:zhangbaoyong2002@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.02.002

TD712

2095-7262(2016)02-0122-06

A