ГИДРОГЕЛЕВЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ МНОГОКРАТНОГО ПОЛУЧЕНИЯ ГИДРАТОВ МЕТАНА
|
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 7
1.1. ПРОБЛЕМЫ ТРАНСПОРТИРОВКИ ПРИРОДНОГО ГАЗА 7
1.2. ТРАНСПОРТИРОВКА ГАЗА В ТВЕРДОЙ ГИДРАТНОЙ ФОРМЕ 7
1.3. СПОСОБЫ УВЕЛИЧЕНИЯ СКОРОСТИ И СТЕПЕНИ КОНВЕРСИИ ВОДЫ
В ГИДРАТ 9
1.4. МНОГОКРАТНЫЕ ЦИКЛЫ ГИДРАТООБРАЗВАОНИЯ 10
1.5. СИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ ГИДРОГЕЛЕЙ 13
ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 17
2.1. МАТЕРИАЛЫ 17
2.1. МЕТОДИКА ПРИГОТОВЛЕНИЯ РАСТВОРА ПОЛИВИНИЛОВОГО СПИРТА 19
2.2. ПРИГОТОВЛЕНИЕ ДИСПЕРСНЫХ ГИДРОГЕЛЕВЫХ СИСТЕМ 19
2.3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА 21
2.4. ПОЛУЧЕНИЕ ГАЗОВЫХ ГИДРАТОВ. ОПИСАНИЕ МЕТОДИКИ
ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА 23
2.5. ОБРАБОТКА ДАННЫХ 24
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ 28
3.1 ПРОВЕДЕННЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ 28
3.2. ВЛИЯНИЕ КОМПОНЕНТНОГО СОСТАВА ПОРОШКОВЫХ
ГИДРОГЕЛЕВЫХ СИСТЕМ НА ПРОЦЕСС ОБРАЗОВАНИЯ ГАЗОВЫХ ГИДРАТОВ 28
3.3. ИССЛЕДОВАНИЕ СТАБИЛЬНОСТИ ПОРОШКОВЫХ ГИДРОГЕЛЕВЫХ
СИСТЕМ В МНОГОКРАТНЫХ ЦИКЛАХ ОБРАЗОВАНИЯ/ДИССОЦИАЦИИ ГИДРАТОВ МЕТАНА 31
3.4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РАЗМЕРОВ ГИДРОГЕЛЕВЫХ ЧАСТИЦ
НА ПРОЦЕСС ОБРАЗОВАНИЯ ГИДРАТОВ МЕТАНА 33
3.5. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОМПОНЕНТОВ НАСЫЩЕНИЯ
СИСТЕМЫ НА ПРОЦЕСС ОБРАЗОВАНИЯ ГИДРАТОВ МЕТАНА 37
3.6. СРАВНЕНИЕ ПОРОШКОВЫХ ГИДРОГЕЛЕВЫХ СИСТЕМ С
ИЗВЕСТНЫМИ СИСТЕМАМИ, ПРЕДЛАГАЕМЫМИ ДЛЯ
МНОГОКРАТНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ 39
3.7. ИССЛЕДОВАНИЕ ЯВЛЕНИЯ САМОКОНСЕРВАЦИИ 41
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 43
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 47
ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 7
1.1. ПРОБЛЕМЫ ТРАНСПОРТИРОВКИ ПРИРОДНОГО ГАЗА 7
1.2. ТРАНСПОРТИРОВКА ГАЗА В ТВЕРДОЙ ГИДРАТНОЙ ФОРМЕ 7
1.3. СПОСОБЫ УВЕЛИЧЕНИЯ СКОРОСТИ И СТЕПЕНИ КОНВЕРСИИ ВОДЫ
В ГИДРАТ 9
1.4. МНОГОКРАТНЫЕ ЦИКЛЫ ГИДРАТООБРАЗВАОНИЯ 10
1.5. СИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ ГИДРОГЕЛЕЙ 13
ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 17
2.1. МАТЕРИАЛЫ 17
2.1. МЕТОДИКА ПРИГОТОВЛЕНИЯ РАСТВОРА ПОЛИВИНИЛОВОГО СПИРТА 19
2.2. ПРИГОТОВЛЕНИЕ ДИСПЕРСНЫХ ГИДРОГЕЛЕВЫХ СИСТЕМ 19
2.3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА 21
2.4. ПОЛУЧЕНИЕ ГАЗОВЫХ ГИДРАТОВ. ОПИСАНИЕ МЕТОДИКИ
ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА 23
2.5. ОБРАБОТКА ДАННЫХ 24
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ 28
3.1 ПРОВЕДЕННЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ 28
3.2. ВЛИЯНИЕ КОМПОНЕНТНОГО СОСТАВА ПОРОШКОВЫХ
ГИДРОГЕЛЕВЫХ СИСТЕМ НА ПРОЦЕСС ОБРАЗОВАНИЯ ГАЗОВЫХ ГИДРАТОВ 28
3.3. ИССЛЕДОВАНИЕ СТАБИЛЬНОСТИ ПОРОШКОВЫХ ГИДРОГЕЛЕВЫХ
СИСТЕМ В МНОГОКРАТНЫХ ЦИКЛАХ ОБРАЗОВАНИЯ/ДИССОЦИАЦИИ ГИДРАТОВ МЕТАНА 31
3.4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РАЗМЕРОВ ГИДРОГЕЛЕВЫХ ЧАСТИЦ
НА ПРОЦЕСС ОБРАЗОВАНИЯ ГИДРАТОВ МЕТАНА 33
3.5. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОМПОНЕНТОВ НАСЫЩЕНИЯ
СИСТЕМЫ НА ПРОЦЕСС ОБРАЗОВАНИЯ ГИДРАТОВ МЕТАНА 37
3.6. СРАВНЕНИЕ ПОРОШКОВЫХ ГИДРОГЕЛЕВЫХ СИСТЕМ С
ИЗВЕСТНЫМИ СИСТЕМАМИ, ПРЕДЛАГАЕМЫМИ ДЛЯ
МНОГОКРАТНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ 39
3.7. ИССЛЕДОВАНИЕ ЯВЛЕНИЯ САМОКОНСЕРВАЦИИ 41
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 43
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 47
Для транспортировки и хранения природного газа на настоящий момент времени используются следующие технологии хранения: трубопроводная, перевозка газа в сжиженном, компримированном или адсорбированном состояниях. Применение данных методов транспортировки осложнено высоким потреблением энергии, необходимостью использования дорогостоящих
реагентов, ограничениями в расстоянии, взрывоопасностью и другими
экономическими факторами. Газогидратные технологии транспортировки и
хранения природных газов считаются альтернативой существующим
технологиям по причине более выгодных экономических условий хранения и транспортировки. Кроме того, одним из наиболее ценных свойств газовых гидратов считается высокое удельное газосодержание, благодаря которому в 1 м3 газового гидрата может содержаться до 170-180 м3 газа при нормальных условиях.
Газовые гидраты - это кристаллические нестехиометрические соединения включения, состоящие из молекул воды и газа, образующиеся при низких температурах и высоких давлениях. Однако, промышленное применение газогидратных технологий сдерживается по причине низкой скорости и невысокой степени конверсии воды в гидрат. Кроме того, среды, предлагаемые для хранения и транспортировки газов, должны также иметь высокую стабильность и воспроизводимость при применении в многократных циклах образования/диссоциации гидрата, то есть образовывать гидраты повторно в одной системе без снижения степени конверсии воды в гидрат и скорости роста гидрата. Это необходимо для многократного использования среды для транспортировки гидратов природного газа с высокой скоростью и степенью конверсии воды в гидрат в целях сокращения экономических затрат на производство самой системы.
В последнее время, учеными были проведены исследования, направленные на поиск и получение систем, перспективных для многократного использования в циклах образования/диссоциации гидратов природных газов. Среди этих систем можно выделить микрокапельные системы, стабилизированные гидрофобными наночастицами, такие как «сухая вода», «сухой гель», «желированные сухие растворы». Кроме того, исследовалась возможность применения систем на основе порошковых криогелей. Также можно выделить работы, в которых проводились исследования возможности многократного использования систем на основе гидрогелевых частиц.
Целью данной работы являлась разработка новой системы гидратообразования на основе гидрогелей для транспортировки и хранения газа в твердой гидратной форме, перспективной для использования в многократных циклах образования и диссоциации гидрата метана. Исследование проводилось методом физико-химического анализа, основанного на измерениях давление- объем-температура в изохорных условиях.
Первой задачей данной работы являлось исследование компонентного состава гидрогелевых систем (соотношение Гидрогель:Вода:Наночастицы) на процесс образования газовых гидратов, а также на конечные степени конверсии воды в гидрат. Во время выполнения работы использовались гидрогелевые частицы, гидрофобизированные пирогенные наночастицы кремнезема, дистиллированная вода, смешанные в различных соотношениях.
Второй задачей работы являлось исследование стабильности порошковых гидрогелевых систем в многократных циклах образования и диссоциации гидрата метана. Термоциклирование происходило в изохорных условиях. Во время выполнения работы проводилось до пяти циклов образования/диссоциации газовых гидратов.
Третьей задачей работы являлось исследование влияние размера гидрогелевых частиц на эффективность образования гидратов метана и стабильность систем в многократных циклах образования и диссоциации газовых гидратов. Во время выполнения работы проводилось сравнение систем с различными размерами частиц.
Четвертой задачей работы являлось определение влияния добавления различных компонентов насыщения в порошковые гидрогелевые системы на эффективность образования гидратов метана и стабильность систем в многократных циклах образования и диссоциации газовых гидратов....
реагентов, ограничениями в расстоянии, взрывоопасностью и другими
экономическими факторами. Газогидратные технологии транспортировки и
хранения природных газов считаются альтернативой существующим
технологиям по причине более выгодных экономических условий хранения и транспортировки. Кроме того, одним из наиболее ценных свойств газовых гидратов считается высокое удельное газосодержание, благодаря которому в 1 м3 газового гидрата может содержаться до 170-180 м3 газа при нормальных условиях.
Газовые гидраты - это кристаллические нестехиометрические соединения включения, состоящие из молекул воды и газа, образующиеся при низких температурах и высоких давлениях. Однако, промышленное применение газогидратных технологий сдерживается по причине низкой скорости и невысокой степени конверсии воды в гидрат. Кроме того, среды, предлагаемые для хранения и транспортировки газов, должны также иметь высокую стабильность и воспроизводимость при применении в многократных циклах образования/диссоциации гидрата, то есть образовывать гидраты повторно в одной системе без снижения степени конверсии воды в гидрат и скорости роста гидрата. Это необходимо для многократного использования среды для транспортировки гидратов природного газа с высокой скоростью и степенью конверсии воды в гидрат в целях сокращения экономических затрат на производство самой системы.
В последнее время, учеными были проведены исследования, направленные на поиск и получение систем, перспективных для многократного использования в циклах образования/диссоциации гидратов природных газов. Среди этих систем можно выделить микрокапельные системы, стабилизированные гидрофобными наночастицами, такие как «сухая вода», «сухой гель», «желированные сухие растворы». Кроме того, исследовалась возможность применения систем на основе порошковых криогелей. Также можно выделить работы, в которых проводились исследования возможности многократного использования систем на основе гидрогелевых частиц.
Целью данной работы являлась разработка новой системы гидратообразования на основе гидрогелей для транспортировки и хранения газа в твердой гидратной форме, перспективной для использования в многократных циклах образования и диссоциации гидрата метана. Исследование проводилось методом физико-химического анализа, основанного на измерениях давление- объем-температура в изохорных условиях.
Первой задачей данной работы являлось исследование компонентного состава гидрогелевых систем (соотношение Гидрогель:Вода:Наночастицы) на процесс образования газовых гидратов, а также на конечные степени конверсии воды в гидрат. Во время выполнения работы использовались гидрогелевые частицы, гидрофобизированные пирогенные наночастицы кремнезема, дистиллированная вода, смешанные в различных соотношениях.
Второй задачей работы являлось исследование стабильности порошковых гидрогелевых систем в многократных циклах образования и диссоциации гидрата метана. Термоциклирование происходило в изохорных условиях. Во время выполнения работы проводилось до пяти циклов образования/диссоциации газовых гидратов.
Третьей задачей работы являлось исследование влияние размера гидрогелевых частиц на эффективность образования гидратов метана и стабильность систем в многократных циклах образования и диссоциации газовых гидратов. Во время выполнения работы проводилось сравнение систем с различными размерами частиц.
Четвертой задачей работы являлось определение влияния добавления различных компонентов насыщения в порошковые гидрогелевые системы на эффективность образования гидратов метана и стабильность систем в многократных циклах образования и диссоциации газовых гидратов....
В ходе выполнения данной работы была разработана методика проведения экспериментов по получению гидратов метана в многократных циклах образования и диссоциации газовых гидратов. Методика заключалась в применении режима термоциклирования, при котором по завершении процесса гидратообразования, происходило повышение температуры в криостате, что приводило к разложению газового гидрата. После этого следовала выдержка в течение 5 часов, по завершению которой начинался новый цикл гидратообразования. Применение данной методики позволило проводить исследования, направленные на изучение стабильности порошковых гидрогелевых систем в многократных циклах образования и диссоциации гидрата. Под стабильностью систем подразумевается сохранение высокой эффективности системы при втором и последующих циклах гидратообразования, то есть система образует гидрат с такой же скоростью и при образовании гидрата поглощается такое же количество газа, что и в первом цикле гидратообразования.
В ходе выполнения данной работы было проведено исследование влияния компонентного состава систем на процесс гидратообразования. Системы состояли из трех компонентов: гидрогелевых частиц (HG), воды (W), наночастиц (NP). Проводилось исследование порошковых гидрогелевых систем модифицированных и не модифицированных гидрофобными наночастицами диоксида кремния.
Выявлено, что в порошковых системах, не модифицированных гидрофобными наночастицами, гидрат метана практически не образуется. При проведении исследования систем с различным содержанием гидрофобных наночастиц было выявлено, что увеличение концентрации наночастиц приводит к увеличению количества поглощаемого при гидратообразовании газа. Сделано предположение, что присутствие в системе гидрофобных наночастиц препятствует агломерации гидрогелевых частиц, благодаря чему увеличивается площадь поверхности контакта вода-газ и большее количество воды, содержащейся в порах гидрогеля, может проконтактировать с газом и образовать гидрат метана. Максимальное количество поглощенного газа в первом цикле гидратообразования составило 0,00856 моль за 15 часов для системы с наименьшим содержанием наночастиц HG:W:NP (1:20:1) и 0,04224 моль за 15 часов для системы с наибольшим содержанием наночастиц HG:W:NP (1:20:2).
В ходе выполнения данной работы было проведено исследование стабильности систем в многократных циклах образования и диссоциации газовых гидратов. Было выявлено, что в системах с размером гидрогелевых частиц, составляющих 140-800 мкм, падение эффективности системы составило около 5 процентов в каждом цикле образования и диссоциации гидратов. Соответственно по проведении 4 циклов в системах HG:W:NP (1:20:1,5) и HG:W:NP (1:20:2) степень конверсии воды в гидрат уменьшилась примерно на 12,5 процентов и составила 63 и 64 процента против 72 и 74 процентов в первом цикле соответственно.
В ходе выполнения данной работы было проведено исследование влияния размеров гидрогелевых частиц на процесс гидратообразования и стабильность систем в многократных циклах образования и диссоциации гидрата метана. Был произведен синтез гидрата в системах с одинаковым компонентным составом, но различным размером гидрогелевых частиц. Исходный размер гидрогелевых частиц составлял 140-800 мкм. Фракция измельченных гидрогелевых частиц составляла 60-400 мкм. Было выявлено, что применение измельченной фракции гидрогелевых частиц приводит к увеличению количества поглощаемого при гидратообразовании газа. Так, в первом цикле гидратообразования за 15 часов для системы с компонентным составом HG:W:NP (1:20:1,5) и размером гидрогелевых частиц 140-800 мкм поглощение составило 0,04334 моль. Для системы с аналогичным составом и размером гидрогелевых частиц 60 -400 мкм поглощение газа составило 0,04736 моль. Это связано с увеличением площади поверхности контакта вода-газ за счет большей удельной площади поверхности. Кроме того, было выявлено, что применение измельченных гидрогелевых частиц приводит к увеличению стабильности системы в многократных циклах....
В ходе выполнения данной работы было проведено исследование влияния компонентного состава систем на процесс гидратообразования. Системы состояли из трех компонентов: гидрогелевых частиц (HG), воды (W), наночастиц (NP). Проводилось исследование порошковых гидрогелевых систем модифицированных и не модифицированных гидрофобными наночастицами диоксида кремния.
Выявлено, что в порошковых системах, не модифицированных гидрофобными наночастицами, гидрат метана практически не образуется. При проведении исследования систем с различным содержанием гидрофобных наночастиц было выявлено, что увеличение концентрации наночастиц приводит к увеличению количества поглощаемого при гидратообразовании газа. Сделано предположение, что присутствие в системе гидрофобных наночастиц препятствует агломерации гидрогелевых частиц, благодаря чему увеличивается площадь поверхности контакта вода-газ и большее количество воды, содержащейся в порах гидрогеля, может проконтактировать с газом и образовать гидрат метана. Максимальное количество поглощенного газа в первом цикле гидратообразования составило 0,00856 моль за 15 часов для системы с наименьшим содержанием наночастиц HG:W:NP (1:20:1) и 0,04224 моль за 15 часов для системы с наибольшим содержанием наночастиц HG:W:NP (1:20:2).
В ходе выполнения данной работы было проведено исследование стабильности систем в многократных циклах образования и диссоциации газовых гидратов. Было выявлено, что в системах с размером гидрогелевых частиц, составляющих 140-800 мкм, падение эффективности системы составило около 5 процентов в каждом цикле образования и диссоциации гидратов. Соответственно по проведении 4 циклов в системах HG:W:NP (1:20:1,5) и HG:W:NP (1:20:2) степень конверсии воды в гидрат уменьшилась примерно на 12,5 процентов и составила 63 и 64 процента против 72 и 74 процентов в первом цикле соответственно.
В ходе выполнения данной работы было проведено исследование влияния размеров гидрогелевых частиц на процесс гидратообразования и стабильность систем в многократных циклах образования и диссоциации гидрата метана. Был произведен синтез гидрата в системах с одинаковым компонентным составом, но различным размером гидрогелевых частиц. Исходный размер гидрогелевых частиц составлял 140-800 мкм. Фракция измельченных гидрогелевых частиц составляла 60-400 мкм. Было выявлено, что применение измельченной фракции гидрогелевых частиц приводит к увеличению количества поглощаемого при гидратообразовании газа. Так, в первом цикле гидратообразования за 15 часов для системы с компонентным составом HG:W:NP (1:20:1,5) и размером гидрогелевых частиц 140-800 мкм поглощение составило 0,04334 моль. Для системы с аналогичным составом и размером гидрогелевых частиц 60 -400 мкм поглощение газа составило 0,04736 моль. Это связано с увеличением площади поверхности контакта вода-газ за счет большей удельной площади поверхности. Кроме того, было выявлено, что применение измельченных гидрогелевых частиц приводит к увеличению стабильности системы в многократных циклах....
