氣水體系甲烷水合物生成和分解動力學

黃婷，李長俊，丁麟，李清平，ZACHARY M Aman

（1 中海油研究總院有限責任公司，北京100028；2 天然氣水合物國家重點實驗室，北京100028；3 西南石油大學石油與天然氣工程學院，四川成都610500；4 中國石油勘探開發研究院，北京100083；5 西澳大學機械與化學工程學院，澳大利亞珀斯6009）

已知在氣水體系中，水合物生長、分解動力學主要受到溫度、壓力和外界擾動強度的影響。在水合物動力學研究的初期，Vysniauskas 和Bishnoi[1]便通過實驗研究了不同溫度壓力條件下水合物的生長速率，Kim 等[2]通過降壓或升溫的方式促使水合物分解，研究了溫度和壓力對水合物分解速率的影響。目前，已有比較豐富的實驗研究成果顯示溫度和壓力對水合物動力學的影響規律[3-6]。但是，對擾動強度這一影響因素的研究還有待進一步豐富，可借鑒的基礎實驗數據較為缺乏。

此外，在實驗基礎上進行模型研究時，溫度和壓力對水合物生長、分解速率的作用可以直接體現在驅動力上[7-9]。不同體系具有熱力學一致性，不隨尺度改變而改變。但對于已定形狀和尺寸的反應釜來說，擾動強度由攪拌速率決定；對于循環管路，擾動強度可通過氣液相流速來控制。可見擾動強度和反應系統的結構、尺寸等有很大關系，因而對水合物動力學特征的影響規律更為復雜。

Mohebbi等[10]實驗發現，攪拌速率小于250r/min，僅在氣液界面形成水合物薄層；攪拌速率300r/min，水合物生長30min 后在氣液界面形成較厚水合物層，阻礙生成氣的進一步擴散。施政灼等[11]詳細調研了攪拌式天然氣水合物反應器的結構和工作原理，并提出未來強化水合物生成的物理和機械手段。呂秋楠[12]針對攪拌強化和氣液混輸方式下水合物生成動力學進行實驗研究，揭示影響水合物生成速率的控制因素及控制機制。盡管目前國內外已有較多關于攪拌或擾動對水合物生成分解及流動特性影響的研究，但仍需進一步揭示攪拌與水合物生長、分解及漿液流動性之間隨時間演變的相互作用及本質原因。因此，本文基于全透明高壓反應釜水合物動力學實驗，深入分析攪拌在水合物成核、生長和分解過程中的作用，同時進一步揭示水合物漿液的流動特性。

1 實驗裝置和方法

1.1 裝置

本文采用澳大利亞西澳大學水合物流動保障實驗室的全透明高壓反應釜裝置進行甲烷水合物生長和分解動力學實驗[13]，其外觀如圖1所示。通過該高壓全透明反應釜，可以直接觀察到水合物的形成、生長、聚集、堵塞和分解過程，也可以觀察水合物顆粒在連續相介質，如氣、油、水相中的分布情況。該裝置包含一個由內徑50.8mm、長127mm、壁厚8.5mm的藍寶石圓管形成的密閉反應單元、攪拌系統、水浴溫控系統和管線系統四個重要組成部分。圖2 所示為該高壓反應釜的流程示意圖。其中，攪拌系統的葉片安裝在由電機驅動的磁力耦合攪拌軸（型號為MRK 14/60）的末端。電機能夠達到的最大轉數是1800r/min，精度為±1r/min。實驗過程中可通過扭矩測量儀測量不同轉數下的扭矩值，測量范圍最大到57N·cm，精度為±0.04N·cm。圖3所示為扭矩測量儀。

1.2 實驗方法

圖1 高壓全透明水合物反應釜外觀圖

圖2 高壓全透明水合物反應釜流程圖

本文將攪拌作為一個關鍵因素，重點分析攪拌速率對水合物成核和生長過程的影響以及攪拌與否對水合物塊分解的作用，同時分析不同攪拌速率下水合物漿液的流動特性。實驗方法大致可以概括為：反應釜清洗干燥；反應單元注水密封置換掉空氣；室溫下通入純度99.999%的甲烷氣體升壓；檢查氣密性；開啟水浴溫控系統；設定攪拌電機轉速和最大扭矩值，開始攪拌；水合物生成穩定后加熱促使水合物分解；待水合物完全分解，實驗結束后泄壓排空。實驗過程中由鉑電阻溫度計、壓力傳感器和扭矩傳感器傳輸的信號通過LabVIEW 數據采集系統進行收集。考慮到實驗的可操作性，本文將水合物生成階段的攪拌速率設定在200～1000r/min。實驗設定為定容條件，初始壓力6.5MPa，初始溫度20℃，實際每組初始條件會有稍許差別，詳見表1。

圖3 扭矩測量儀

表1 實驗初始條件

由于水合物生成后會引起攪拌扭矩增大，電機負荷增強，本實驗中為了保護攪拌系統，設置了最大扭矩值15N·cm，實驗過程中超過該值以后，攪拌自動停止。實驗開始進入水合物分解階段時，電機都是停止工作的，因而都沒有攪拌作用。當分解進行到一定程度以后，可以手動開啟攪拌系統，因此實驗中只通過設定攪拌和不攪拌兩種條件來觀察體系流動狀態對水合物分解速率的影響，表1標明了各組實驗中分解階段是否有攪拌。

實驗數據處理依據質量守恒和氣體狀態方程，進行每一時刻甲烷氣消耗量和累積水合物生成量計算；水合物體積分數是水合物體積占漿液總體積的百分數；通過分析甲烷氣消耗速率曲線可以得到水合物生長速率的最大值及平穩值。詳細數據處理方法參考文獻[14]。

2 實驗結果與討論

2.1 攪拌速率對水合物生長的影響

根據實驗結果可知，隨著水浴溫度的逐漸降低，體系首先達到甲烷水合物的三相平衡點，之后進入成核誘導期；當反應釜內出現明顯的壓降和稍許的溫升時，認為水合物的快速生長階段開始；隨著水合物體積分數的增加，體系呈現水合物顆粒的均相分布向非均相分布的轉變；當水合物體積分數增加到一定程度以后，攪拌電機扭矩值急劇增大，直到超過設定的臨界值，從而攪拌作用停止，水合物進入緩慢生長階段；待穩定以后，在水浴加熱作用下水合物塊逐漸分解，最后體系恢復到初始的壓力值。本節分別討論攪拌速率對水合物生成誘導期、最大生成量以及水合物在快速生成前期的生長速率的影響。

圖4所示為誘導期和最大生成量隨攪拌速率的變化，取值為表1中相同攪拌速率下各組實驗結果的平均值。水合物開始生成時壓力5.81～6.48MPa，溫度0.8～3.9℃。誘導期隨攪拌速率的變化趨勢如圖4所示，可以看出隨著攪拌速率的增加，誘導期并沒有表現出一定的變化趨勢。這說明攪拌的擾動作用雖然能夠增強體系的傳質作用，但對于水合物成核過程的隨機性影響不大[15]。

圖4 不同攪拌速率下水合物生成誘導期和最大生成量的變化

水合物最大生成量隨攪拌速率的變化如圖4所示。在400r/min以下，水合物體積分數隨攪拌速率并沒有明顯的變化趨勢；但在600～1000r/min，隨著攪拌速率的不斷增加，水合物最大體積分數基本呈線性增大的趨勢。這是因為在高攪拌速率條件下，攪拌電機的功率較大，能夠承受更高的漿液黏度和流動阻力。所以在高攪拌轉速條件下，水合物生成的總量也相對較大。而在400～600r/min，最大生成量有所減少，這可能是由于600r/min下重復性實驗較少，存在一定的隨機性。

攪拌的一個重要作用是能夠增強體系的擾動程度，從而影響甲烷氣體的傳質速率，而傳質速率的改變則能進一步影響水合物晶體的生長速率。圖5做出了不同攪拌速率下（200～1000r/min，第1、4、8、11和14組實驗）水合物均相分布階段的生長速率隨時間的變化曲線。盡管這5組實驗中水合物開始生長時的溫度和壓力不完全相同，但只在很小的范圍內變化（溫度1.3～1.4℃，壓力5.86～6.19MPa）。并且這幾組實驗中水合物開始生成時體系的過冷度（驅動力）分別為6.65℃、5.96℃、6.90℃、6.69℃、7.05℃，過冷度之差在1.1℃以下，認為可以忽略過冷度/驅動力對生長速率的影響，從而定性討論攪拌速率的影響。過冷度是體系壓力下水合物的三相平衡溫度與體系溫度的差值，同逸度差和壓力差類似，可作為考量體系從當前狀態向平衡狀態發展趨勢的指標，即可直接將其稱為水合物生成、分解的驅動力。

圖5 不同攪拌速率下水合物均相分布階段生長速率對比

由圖5 可以看出，水合物的生長速率隨著時間都呈現先增大再逐漸減小最后趨于平穩的趨勢。其中，在攪拌速率較小時（200r/min），生長速率增大和減小的幅度都很小，在12min 內基本上可以看做是穩定勻速生長。在攪拌速率較大時（1000r/min），水合物生長速率在1min 內就能達到近600mol/(min·m3)，隨后在8min 左右便下降到60mol/(min·m3)，是最大值的1/10。

此外，在開始的2～3min內，每組實驗生長速率都能達到整個過程的最大值。隨著攪拌速率的增大，水合物的生長速率最大值以及之后的平穩值，都呈現明顯的增大規律。如圖6所示，當攪拌速率從200r/min增大到1000r/min時，生長速率最大值由10.1mol/(min·m3)增大到598.9mol/(min·m3)，生長速率平穩值由9.9mol/(min·m3)增大到61.2mol/(min·m3)。同時，從圖6可以看出，最大生長速率和平穩生長速率都與攪拌速率呈現良好的線性關系。可見，攪拌速率對水合物的生長速率有著很大的影響，其大小直接決定著反應體系中介質的擾動強度，從而影響著水合物的生長速率和體積分數。

圖6 水合物最大生長速率隨攪拌速率的變化

攪拌速率的作用規律與水合物生長時消耗的氣體分子的溶解狀態和傳質擴散形式有著密切的關系。在水合物生成前，由于持續的攪拌和溶解，甲烷氣體在液相中已達到過飽和狀態。因此，在水合物生成初期，水合物的生成所消耗的氣體主要來自于液相中的溶解氣。當液相中溶解氣被消耗之后，由于氣液界面兩側氣相逸度差的驅動，氣相中的氣體分子開始向液相主體擴散。而在這個過程中，水合物生長所需的甲烷氣體則主要受液相中和氣液界面甲烷氣體分子的傳質速率控制。如圖5所示，生長速率達到峰值之后便開始迅速下降，這可能正是由于液相中已溶解的甲烷分子被消耗，氣體濃度降低導致的。因此可以認為水合物生長速率平穩后的過程是只受甲烷分子傳質作用控制的過程。由此可見，高攪拌速率條件下甲烷分子的傳質效率也相對較高。

基于此過程，本文認為攪拌速率可以從兩方面影響水合物的生長過程：一方面，攪拌可以通過施加強擾動從而促使水合物固相隨著攪拌不斷與氣相界面、氣泡互相接觸，形成更多的氣液固三相接觸面積，增大水合物生長的反應表面積；另一方面，由于水合物的初始形成往往是在氣相濃度較高的氣液界面處，首先形成一層水合物薄層覆蓋氣液界面，因此會大大降低氣相向液相的氣體傳質效率。通過施加強攪拌，可以破壞氣液界面處已形成的水合物薄層，不斷更新氣液相界面，從而使氣液相界面處時刻維持較高的氣相傳質效率。

總體來說，基于本文實驗裝置，在涉及的攪拌速率范圍內（200～1000r/min），水合物的生長速率隨著攪拌速率的增大而增大。攪拌速率的增大，一方面可以促使形成更多的氣液固反應面積；另一方面，通過增強擾動促進了單位面積內氣液相間傳質，從而促進水合物的生長過程。通過對攪拌速率影響規律的分析，進一步證明了在氣水兩相反應體系中，相間傳質作用是影響水合物生長過程的關鍵[16]。

2.2 攪拌對水合物分解的影響

在水合物生長到一定程度后，由于水合物非均勻分布和粘壁堆積現象嚴重，攪拌電機的扭矩會急劇增加。為了保證電機正常運行，人為設置了電機的扭矩上限值，當電機扭矩達到上限后就會自動關停。在分解實驗初期，由于水合物已經形成塊狀固體，所以電機仍然處于關停狀態。當分解持續一段時間之后，會嘗試再次開啟攪拌電機，對釜內施加攪拌。本文選擇3組有攪拌作用的分解實驗，通過對比施加攪拌前后水合物分解速率的變化情況，得到攪拌對于水合物分解過程的影響。分解速率的測定與水合物生成速率測定一致，通過監測體系壓力的變化，根據質量守恒和氣體狀態方程可以得到每一個時間步長氣相中增加的氣體量，從而換算成水合物的分解速率。

圖7 所示為施加攪拌作用的第3、6、7 組實驗中水合物分解速率隨時間的變化規律。三組實驗中攪拌開始的時間分別為30min、40min和37min，攪拌過程中施加的攪拌速率相同。由圖7中可以觀察到，在施加攪拌之前三條分解速率的曲線大致重合，說明在不加攪拌的條件下水合物的分解速率與體系初始溫度、壓力及升溫速率沒有明顯關系。隨后開始施加攪拌，水合物的分解速率瞬間急劇增加，增加幅度可以達到原始分解速率的2～8倍。

圖7 攪拌對水合物分解速率的影響

通過對三組分解實驗曲線的對比，認為攪拌后分解速率增加的幅度與當時水合物在釜內的分布有關。因為水合物分解所吸收的熱量需要經過釜壁從水浴向內傳導，越接近壁面處的水合物分解速度越快。所以，如果攪拌開始前水合物的分布位置遠離壁面，在攪拌的作用下水合物會重新分布，攪拌速率上升的程度比較明顯；相反，如果水合物原始分布位置集中在壁面附近，那么攪拌的作用則會被削弱，分解速率增加的幅度相對較小。

觀察第3組實驗的分解速率曲線可以看到，在施加攪拌后水合物分解速率會穩定在一個相對較高的值，是不加攪拌時穩定分解速率的3倍左右。這說明攪拌的作用除了體現在改變水合物的分布位置之外，還存在其他的作用機理。Selim 和Sloan[17]的研究結果表明，水合物的分解過程與其固相反應表面積有直接關系，分解面積的增加能夠直接增加水合物的整體分解速率。通過施加較強的攪拌，可以將釜內的固相水合物團塊或大的水合物顆粒攪碎，增加分解過程的反應表面積從而促進水合物的快速分解。另一方面，根據對分解過程中反應釜的直接觀察，發現水合物分解過程中會產生大量的甲烷氣泡。氣泡在水合物表面的解吸和在液相中的轉移是限制水合物整體反應速率的關鍵過程。通過施加攪拌，能夠有效促進甲烷氣泡在液相中的相互接觸和碰撞，促進其聚合并向氣液界面轉移，大大加強了分解過程中甲烷氣體的釋放速率。

綜上所述，攪拌對于水合物分解過程的促進作用主要體現在三方面：①改善水合物分布位置，促進內部水合物團塊向分解效率更高的壁面及氣液相界面處轉移；②通過增加水合物固相的分散性，增加分解過程的反應表面積；③通過增加擾動，促進形成的甲烷氣泡的解吸、聚合及轉移，增加體系傳質效率。

2.3 水合物漿液流動特性分析

許多研究成果已經表明水合物生成后會引起流動體系黏度增加[18-21]。本文中水合物生成后體系將由純水體系轉變為含水合物的漿液體系，勢必會引起釜內流體黏度的變化。實驗過程中通過給攪拌電機設定恒定的攪拌轉速（200～1000r/min），可以將流體黏度的變化以攪拌電機扭矩/功率的變化顯示出來。流體黏度越大，葉片轉動過程中受到的阻力也越大，相應的轉動扭矩也就越大。

圖8 為第1、4、8、11 和14 組實驗中攪拌電機扭矩隨水合物體積分數的變化規律。可以看到5 組實驗結果中攪拌電機扭矩的變化表現出了相同的規律，具體可以分為三個階段：①扭矩穩定階段，此階段的主要特點是水合物體積分數較低（小于20%）且呈均質分布狀態，所以漿液黏度增加不明顯，攪拌電機扭矩比較平穩；②扭矩急劇增加階段，此階段的水合物體積分數為20%～30%，由于水合物體積分數增加，體相內出現了水合物的不均勻分布、粘壁和沉積等現象，導致漿液黏度迅速增加，所以攪拌電機的扭矩也急劇增加；③扭矩大幅震蕩及水合物堵塞階段，此階段內水合物體積分數在30%以上，電機扭矩增加到一定程度后便開始劇烈震蕩，隨后急劇下降后關停，扭矩過大而關停的狀態可以認為是水合物體積分數過大引起的流動堵塞。此過程和Joshi等[18]得出的環路高含水體系漿液流動特性隨水合物體積分數變化的結論一致，說明在高含水或純水體系，此過程在釜內和流動環路內具有相似性。需要說明的是，圖8 的力矩測定中，有一個扭矩值超過了裝置安全保護范圍0～15N·cm，但未超過裝置測量的最大范圍0～57N·cm，這在實驗過程是允許的。

圖8 攪拌電機扭矩隨水合物體積分數變化規律

基于以上分析，本文認為在純水體系中流體對水合物的攜帶能力存在一個臨界值。當水合物體積分數在臨界值以下時，水合物的不斷生長對漿液流動特性的影響并不明顯；但如果水合物體積分數超過這個臨界值，則會引起水合物固相的均勻分布和聚集、沉積等行為，導致漿液黏度急劇增加，流體流動性變差。而如果水合物體積分數超過臨界堵塞值，則流動體系將面臨較高的水合物堵塞風險。觀察得知本文中漿液穩定流動的臨界水合物體積分數為20%，臨界堵塞體積分數為30%。

此外，從圖8 還可以看出，在穩定流動階段，攪拌速率越大，電機扭矩越大。說明在低水合物濃度條件下水合物漿液的流動阻力與攪拌頻率或流體流速呈正相關。但當水合物體積分數超過穩定流動臨界值后，攪拌電機的扭矩開始呈現出無序性。說明此階段內漿液黏度主要受水合物聚集、沉積和粘壁等隨機性行為的影響，而與攪拌頻率或流體流速關系不大。更加說明了此階段內漿液流動具有不可控、不可預測性。

由本文水合物漿液攪拌實驗可以初步類比得知，在實際的水合物輸送管道中，為了保證水合物漿液良好的流動性，避免出現水合物顆粒的堆積、聚集等不均勻分布現象，應該盡量將水合物體積分數控制在20%以內，當系統允許的單位壓降較大時，可以適當增大水合物體積分數到30%，但會嚴重降低流動體系的穩定性并增加堵塞風險。

3 結論

本文基于一套全透明高壓反應釜，開展了一系列純水體系甲烷水合物生成、分解動力學實驗，分別探究了攪拌速率對水合物最大生成量和生長速率的影響和攪拌作用對水合物塊分解過程的影響，以及不同攪拌速率下的水合物漿液流動特性，得到以下結論。

（1）未發現攪拌速率對水合物成核誘導期隨機性的影響，而釜內的最大水合物生成量和生長速率都隨攪拌速率（200～1000r/min 范圍內）的增大而總體呈現增大趨勢。攪拌速率的增大，可促使形成更多的氣液固反應面積，從而促進水合物的生長過程。進一步證明了在氣水兩相反應體系中，相間傳質作用是影響水合物生長過程的關鍵。

（2）攪拌對水合物的分解過程也具有促進作用，體現在擴大水合物固相的分解表面積，促進水合物顆粒往更易獲得熱量的區域移動，同時增強擾動，促進分解氣泡的解吸、聚合及轉移，提高體系傳質效率。

（3）不同攪拌速率下，攪拌水合物漿液的電機扭矩隨著水合物體積分數的增大呈現先保持平穩，再逐漸增大最后劇烈波動的規律。體系能夠正常攜帶的臨界水合物體積分數為20%。