高持液率下抑制剂对天然气水合物生成与浆液流动的影响_孙宇.pdf
《高持液率下抑制剂对天然气水合物生成与浆液流动的影响_孙宇.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《高持液率下抑制剂对天然气水合物生成与浆液流动的影响_孙宇.pdf(9页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、2023 年第 52 卷第 6 期石油化工PETROCHEMICAL TECHNOLOGY779高持液率下抑制剂对天然气水合物生成与浆液流动的影响孙 宇,刘 妮,王 成(上海理工大学 能源与动力工程学院,上海 200093)摘要搭建了一套高压可视流体环路,研究了在 80%高持液率下 NaCl 溶液、动力学抑制剂聚乙烯吡咯烷酮(PVP)及其复配体系对天然气水合物的生成、浆液流动及形态变化的影响。实验结果表明,NaCl 溶液对天然气水合物的初始成核速率具有很好的抑制作用,当 NaCl 含量为 5%(w)时,水合物生成诱导时间比纯水体系延长了 186%;随着 NaCl 含量的增加,生成的水合物量不断
2、减少,浆液流动性增强;PVP 可延长天然气水合物生成的诱导时间,仅 0.025%(w)的 PVP 即可使诱导时间延长近 50%;0.500%(w)PVP 的抑制效果最佳,生成的水合物量最少;3%(w)NaCl 溶液与 PVP 的复配体系对天然气水合物的生成速率具有显著的抑制作用,与纯 PVP 体系相比,在 PVP 含量为 0.10%(w)时,水合物生成诱导时间延长了66.9%,固相分数减少了 23.5%,水合物浆液呈细泥沙状,流动性较好。关键词天然气水合物;动力学抑制剂;复配体系;诱导时间;聚乙烯吡咯烷酮文章编号1000-8144(2023)06-0779-09 中图分类号TE 88 文献标志
3、码AEffect of inhibitors on natural gas hydrate formation and slurry flow at high liquid holdupSUN Yu,LIU Ni,WANG Cheng(School of Energy and Power Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)AbstractThe effects of NaCl solution,kinetic inhibitor polyvinyl pyrrol
4、idone(PVP)and the the mixed system of them on formation of natural gas hydrate,slurry flow and morphology change of hydrate slurry at 80%high liquid holdup were studied in a high pressure visual flow loop.The experimental results show that NaCl solution has a good inhibition effect on the nucleation
5、 rate of nature gas hydrate.Under the 5%(w)of NaCl in the system,the induction time of hydrate formation increases by 186%compared to the pure water system.In addition,with the increase of NaCl concentration,the amount of hydrate generated is constantly reduced,and the slurry fluidity is enhanced.Wi
6、th the addition of PVP,the induction time of natural gas hydrate formation is also prolonged.Only 0.025%(w)PVP can prolong the induction time of gas hydrate formation by nearly 50%.The inhibition effect of 0.500%(w)PVP is the best,and the amount of hydrate generated is the least.The mixed system of
7、3%(w)NaCl solution and PVP shows significant inhibition effect on the formation rate of natural gas hydrate.Compared with the pure PVP system,when the PVP concentration is 0.10%(w),the induction time is prolonged by 66.9%,and the volume fraction of hydrate reduced by 23.5%,and the hydrate slurry is
8、in the form of fine silt with good fluidity.Keywordsnatural gas hydrate;kinetic inhibitor;mixed system;induction time;polyvinyl pyrrolidoneDOI:10.3969/j.issn.1000-8144.2023.06.006收稿日期2022-12-09;修改稿日期2023-01-30。作者简介孙宇(1998),男,江苏省苏州市人,硕士生,电邮 。联系人:刘妮,电话 021-55270098,电邮liu_。2023 年第 52 卷石油化工PETROCHEMICAL
9、 TECHNOLOGY780天然气水合物是水与甲烷等气体分子在低温高压下形成的一种非化学计量的笼状晶体包络物1。自 1934 年首次发现天然气水合物堵塞管道以来,天然气水合物一直是天然气开采与输运过程中的安全隐患2。目前,在抑制水合物生成的诸多方法中,注入一定剂量的水合物抑制剂是一种合理且有效的手段。根据抑制机理不同,抑制剂主要分为以下三类:热力学抑制剂、动力学抑制剂和防聚剂3-8。热力学抑制剂通过降低水合物分子中水分子的活性,使水合物相平衡曲线向较高压力和较低温度移动,从而改变水合物生成的热力学条件,主要包含醇类和无机盐类抑制剂,如甲醇、乙二醇、盐水等。醇类抑制剂由于使用量较大,因此成本较高
10、,甲醇等醇类抑制剂还具有一定毒性,对环境造成危害9-10。NaCl 作为无机盐类抑制剂,具有易于获得、用量较少且对环境无害等优势,受到学者们的广泛关注11-15。动力学抑制剂作为经济环保的低剂量抑制剂,通过延缓或抑制水合物成核及生长速率,来延长水合物形成的诱导时间,可应用于长距离管道输运中水合物的防堵6,9,16-17。防聚剂是一种表面活性剂,能吸附在水合物颗粒的表面,是一种新型低剂量抑制剂,含量一般为0.1%1%(w)。防聚剂通过防止水合物颗粒并聚,使水合物以小颗粒的形式分散在体系中,从而以水合物浆液的形式在管内稳定流动,不仅能有效防止水合物堵塞管路,还能提高输气效率18-19。目前,国内外
11、在油水体系和静态反应釜中对水合物抑制剂进行了大量研究20-22,但对于高含水率体系的研究相对较少23-25。然而在油气田二、三级开发中,随着含水率的增加,天然气水合物堵塞管道的风险增大。了解抑制剂在高含水率体系中对天然气水合物生成、流动及形态的影响,对保障天然气管道输送安全至关重要。Cha 等26研究了聚乙烯吡咯烷酮(PVP)与乙二醇溶液的复配体系对天然气水合物的抑制作用,并取得良好的抑制效果,但该类抑制剂用量大且对环境有害。为了克服以上问题,本工作构建了 NaCl 溶液与 PVP 的复配体系,在持液率为 80%的条件下,研究了 NaCl 溶液、PVP 及其复配体系对天然气水合物的生成、浆液流
12、动及形态变化的影响。1 实验部分1.1 实验装置图 1 为实验用高压可视流体环路示意图。图 1 高压可视流体环路示意图Fig.1 Schematic diagram of high pressure visual flow loop.1 Gas cylinder;2 Air compressor;3 Natural gas booster pump;4-6 Pressure gage;7 Air collector;8 Relief valve;9 Gas flowmeter;10 Vacuum pump;11 Visible kettle;12 Electric blender;13,14
13、Thermostatic waterbath;15 Circulating pump;16 Fluid flowmeter;17 Viscosimeter;18,19 High pressure viewport;V1 Pressure regulating valve;V2-V4,V10-V12 Needle valve;V5,V6 Non-return valve;V7-V9 High pressure ball valve;P1-P3 Pressure sensor;T1-T10 Temperature sensor;P1-P3 Differential pressure transdu
14、cerT10P3P2P21918171615141272141113T9T8T5T4T3T2T2T6T7P3P2P1568910V2V4V7V8V6V5V1V3V9V12V11V103第 6 期781实验环路由气液两相供应系统、测试管段、温度控制系统和数据采集系统组成。管道测试段长 20 m,管道内径为 25.4 mm,设计压力 15 MPa;环路总体积为 17 L。环路中配有流量计、黏度计、温度传感器、压力传感器及压差变送器等测试仪器,实验数据由数据采集仪实时采集记录。为了实时观察环路内不同位置的实验现象,在环路上坡段与下坡段分别设有透明的蓝宝石可视窗。环路支撑架前段配有滑轮,搭配电机来调节
15、环路倾斜角,调节范围 0 5。1.2 实验材料和实验工况实验所用气相为 90%()甲烷、5%()乙烷和 5%()丙烷混合气,液相为去离子水,抑制剂分别为 PVP 和 NaCl 溶液。实验所用的天然气相平衡曲线由 Chen-Guo 模型27计算得到,结果见图2。实验工况见表1,其中,工况1、7为纯水体系,工况 2 6 为 NaCl 溶液体系,工况 8 13 为 PVP体系,工况 14 16 为 NaCl 溶液+PVP 复配体系。275280285290295300305Temperature/K051015202530Pressure/MPaHydrate forming areaNon-hyd
16、rate formation area图 2 实验用天然气水合物相平衡曲线Fig.2 Phase equilibrium curve of experimental natural gas hydrtate.表 1 实验工况Table 1 Experimental conditionsCasePressure/MPaConcentration of NaCl(w)/%Concentration of PVP(w)/%Experiment times150042510335203453035540365503760048600.02539600.050310600.100311600.25031
17、2600.500313601.000314630.100315630.250316630.50031.3 实验步骤实验开始前,打开真空泵对环路抽真空,利用环路自吸原理,将制备好的溶液吸入管道中,然后开启离心泵和水浴,使流体温度保持在 20,接着打开高压储气罐,向环路注入设定压力的天然气,待溶液达到溶解饱和后,继续供气到设定压力,待压力稳定在设定压力后停止供气。设置实验温度 1,通过数据采集系统记录相关参数,使用高压可视窗口观察并记录天然气水合物的形态变化。当系统压力停止下降并稳定 30 min 后,孙 宇等.高持液率下抑制剂对天然气水合物生成与浆液流动的影响2023 年第 52 卷石油化工PE
18、TROCHEMICAL TECHNOLOGY782实验结束。最后,将环路温度提高到 20,天然气水合物溶解后,将天然气与溶液排出,清洗环路。1.4 天然气水合物固相分数的计算实验中水合物的生成量直接影响浆液的流动,当水合物的量较少时,流体可以稳定携带水合物颗粒,但当水合物固相分数(水合物与水合物和水的体积比)超过 30%时,管道流体的黏度急剧增加,导致流体流动特性发生变化,甚至导致堵塞。因此,水合物固相分数是评价管道流动安全性的重要指标。本工作使用基于 Sun 等28提出的状态方程和基于粒子相互作用理论的气体溶解度模型计算水合物固相分数。气体消耗量计算公式如下:1ngas=-p0V0Z0T0p
19、tVtZtTtR (1)式中,ngas为气体消耗量,mol;V 为气相中天然气的体积,m3;p 为环路压力,MPa;Z 为使用 PR状态方程29计算的气体压缩系数;T 为管道温度,K;R 为气体常数。下标 0,t 分别表示实验开始时和实验开始后的 t 时刻。水合物体积计算公式如下:Vhyd=MngasV MT (2)式中,Vhyd为水合物的体积,m3;M 为水合数;V MT为天然气的摩尔体积,m3/mol。V MT用式(3)计算:V MT=11.818-9.087 110-5T+3.946 810-6T 2-8.413 310-4p+1.520 710-6p 210-30NA463(3)式中,
20、NA为阿伏伽德罗常数。水合物固相分数可用下式计算:Rcon=VhydVtotal (4)式中,Rcon为水合物固相分数,%;Vtotal为总体积,m3。2 结果与讨论2.1 天然气水合物生成与浆液流动典型过程分析以工况 7 为例,对环路内水合物的生成、浆液流动及形态的变化进行分析,典型水合物生成过程如图 3 所示,水合物浆液流动形态的变化如图 4 所示。根据实验过程中压力、温度、压差和黏度曲线的变化趋势,整个实验过程可分为,四个阶段。图 4 水合物浆液流动形态的变化Fig.4 Change of flow form of hydrate slurry.Rcon:volume fraction
21、of hydrate.depositHydrate bubblesForming moving bedAggregation of hydrate bubblesHydrate Small gas bubbles01 cm1 cm1 cm1 cm33 min65 min180 minRcon=37.0%Rcon=17.8%Rcon=2.8%Rcon=0024681012141618202201234567TemperatureTemperature/Pressure dropPressure drop/kPaPressureVelocityVelocity/(ms-1)ViscosityVis
22、cosity/(MPas)0.51.01.52.02.53.0Time/hPressure/MPa3.03.54.04.55.05.56.06.57.07.50.400.450.500.550.600.650.70010203040506070图 3 典型水合物生成过程(工况 7)Fig.3 Typical formation process of hydrate(Case 7).第 6 期783阶段:稳定流动阶段。在此阶段天然气的溶解度随系统温度的降低而增加,温度的降低使越来越多的气体溶解到液相中,因此系统压力逐渐降低(见图 3)。由于未达到水合物形成的温度和压力条件,此阶段未形成水合物。由
23、图 4 可见,由于循环泵的剪切作用,管道中的天然气小气泡高速流动,此时环路内的溶液清澈透明。阶段:水合物大量形成阶段。当反应进行到33 min 时,水合物开始大量生成,环路内压力急剧下降,水合物的固相分数为2.8%(见图4)。此时,随着水合物颗粒的大量形成,气液两相流变为气固液多相流,黏度增大,流速迅速下降,压差迅速增大(见图 3),溶液开始变得浑浊。由于水合物的形成是放热反应30-31,水合物的大量生成导致温度上升 0.2。由于实验中使用的离心泵的强剪切效应,水合物聚集体在通过泵叶轮时被破碎并分散成细小的水合物颗粒,形成了细泥沙状,因此并未观察到明显的颗粒聚结。阶段:水合物浆液均匀流动阶段。
24、随着反应不断进行,环路内压力和流速不断降低,浆液黏度不断增大(见图 3)。由图 4 可见,当反应进行到 65 min 时,水合物的固相分数为 17.8%,致密的水合物气泡聚集在管道的上壁面,形成松散的水合物气泡沉积层。随着水合物的不断生成,浆液变得更加黏稠,此时的浆液类似于粗泥沙状。阶段:着床沉积阶段。当压力、流速和黏度长时间保持稳定时,可视为反应基本完成。由图4 可见,环路内水合物最终的固相分数为 37.0%,原本松散的水合物气泡沉积层变得更致密,并逐渐在管道壁上形成薄膜。液相中的水合物由粗泥沙状变为絮状物,在流动剪切力的作用下均匀分布在整个管道中,形成均匀流动的水合物移动床32。2.2 N
25、aCl 溶液对水合物生成抑制的影响NaCl 含量对诱导时间的影响见图 5。由图 5可见,随 NaCl 含量的增加,诱导时间明显延长。当 NaCl 含量为 2%(w)时,与纯水体系相比诱导时间延长了一倍多;NaCl 含量为 5%(w)时,诱导时间比纯水体系延长了 186%。实验结果表明,NaCl 溶液对天然气水合物的初始成核速率具有显著抑制作用。水合物的反应时间为水合物开始生成的时间到体系压力不再下降时对应的时间之差,通过研究反应时间可以清晰地评价水合物的平均生成速率。NaCl 含量对反应时间的影响见图 6。由图 6 可见,NaCl 溶液的加入可以有效延长水合物的反应时间。在 NaCl 含量为
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 高持液率下 抑制剂 天然气 水合物 生成 浆液 流动 影响 孙宇
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。