管道螺旋流动天然气水合物生成促进理论研究

天然气水合物应用技术涉及天然气资源利用、环境保护、天然气净化分离、天然气储运、油气回收等诸多领域，其工程化实现的关键科学问题是建立为水合物连续生产奠定基础的高效生成促进基本理论和科学方法。本项目提出管道螺旋天然气水合物连续生成促进技术，采用天然气与水混合的气液两相管道螺旋湍流流动水合物生成模拟实验手段进行水合物生成的流体力学、成核动力学和晶核生长动力学等问题研究。揭示在不同螺旋扭转比下，压力、温度、两相湍动等宏观条件对水合物成核、生成速率和储气密度影响的基本原理和基本规律。理论上，以D Kashchiev&A Firoozabadi气耗率模型为基础，考虑到促进剂浓度、吸附常数、扩散系数等对成核生长的影响及其与两相流体动量传递的关系，结合管道流动水合物生成的基本守恒方程，探索在螺旋流动作用下的宏观力学与晶核生长微观机理的关联，构建动力学模型。为气体水合物促进技术探索新的发展方向。

管道流动气体水合物生成促进及动力学规律是水合物法油气储运技术工业化和安全输送的关键问题。本项目从螺旋流促进水合物生成动力学角度出发，对气液两相螺旋流动规律、气体水合物生成化学促进以及管道螺旋流动体系下水合物生成特性三个方面进行了理论和实验研究。开发了83米长管道螺旋流动气体水合物生成实验装置、发明了螺旋流起旋器系列产品和水合物分离器；定义了管内气液两相螺旋流呈现的螺旋波状分层流、螺旋泡状流、螺旋团状流、螺旋线状流、螺旋轴状流、螺旋弥散流6种流型；得出了含气率、流型、流速以及起旋器参数对压降的影响，发展了气液两相流理论；阐明了螺旋流的衰减、雷诺数以及起旋器结构参数对轴向以及切向流速分布的影响；得出了螺旋流强度衰减模型。可降解促进剂对气体水合物生成促进实验研究表明，对提高水合物生成速率、提高储气密度均有明显效果。对管道螺旋流动强化天然气水合物实验研究发现，液相速度会影响水合物颗粒的运动距离；并结合水合物颗粒沉降理论，得出管道水合物堵塞位置判据。通过对螺旋流动水合物生长动力学、传质和传热的研究分析，结合水合物结晶理论，建立了管道流动与促进剂体系水合物生成动力学模型，发展了管道水合物动力学理论。