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油包水乳液中水合物形成动力学的理论和实验研究是设计天然气水合物反应装置和吸收-水合耦合法气体分离装置的基础,也是输油管线防堵技术的应用基础,在低碳气体水合分离、天然气水合物储运以及输油管线防堵等领域具有重要意义。本文建立了油包水乳液体系中水合物生长动力学的理论和实验研究体系,系统开展了甲烷水合物动力学方面的相关实验和模型研究工作:(1)建立乳液体系水合物形成动力学实验装置,利用压力-体积-温度法,在转速为300~1100rpm,水滴平均粒径为1170~2338nm,实验温度为69.15~277.15K范围内,测定了甲烷气体在含水率30%的油包水乳液中的形成动力学数据。实验发现:诱导时间随剪切速率增大先缩短再增加,随操作温度升高而增加。水合物形成消耗甲烷的速率随剪切速率增加、实验温度降低、平均粒径减小而增大。甲烷消耗量随水滴平均粒径减小而减少;在冰点以上,气体消耗量随实验温度降低而增加;在冰点以下,随温度降低而减少。在相同实验条件下,油包水乳液中甲烷水合物形成速率是纯水体系的5倍。(2)将金属结晶和高分子结晶领域的Johnson-Mehl-Avrami-Komogorov(JMAK)模型用于油包水乳液中甲烷水合物形成动力学过程。将甲烷水合物形成动力学实验数据非线性回归得到了JMAK模型的水合物结晶动力学常数和Avrami指数,实验值和计算值吻合良好(R=0.9635~0.9907)。根据Avrami指数的范围提出了油包水乳液中甲烷水合物的生长机理。(3)考虑到水合物含量对乳液粘度的影响,在Dalmmazone等的模型基础上增加一个描述甲烷传质系数受水合物量影响的方程来考虑粘度对传质过程的影响,同时忽略乳液系统中水滴成核的时间分布。将本文实验数据非线性回归得到该模型的相关参数,实验数据和计算值非常吻合。为了使模型更合理,基于多点成核过程分别考虑了成核速率随推动力改变的情况以及饱和点成核的情况。(4)基于单水滴缩核模型(shrinking-core model)以及乳液中水滴形成水合物时间不同的假定,通过成核时间分布函数计算单位时间内生成水合物的水滴数量,建立乳液系统中水合物形成动力学模型。使用乳液系统中甲烷水合物形成气体消耗数据与该模型关联,通过分析发现剪切速率对乳液中水滴成核分布影响很大。剪切速率越大,成核时间分布越窄。在700rpm及其以上,成核时间呈正态分布,700rpm以下成核时间分布偏离正态分布。冰点以上成核时间分布水温度降低而变窄。