瓦斯進(jìn)行分離提純

瓦斯水合物(minegashydrate)是小分子量瓦斯組分氣體(CH4、C2H6、C3H8、C4H10和CO2等)與水在一定溫度和壓力條件下絡(luò)合而成的一種類冰的、非化學(xué)計(jì)量的、籠形晶體化合物。瓦斯水合物可以在2〜6MPa、0〜10℃條件下生成，常壓、-15〜-10℃條件下穩(wěn)定儲(chǔ)存;基于瓦斯水合物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及上述性質(zhì)，可以利用瓦斯水合方法對(duì)低濃度瓦斯進(jìn)行分離提純。水合物快速穩(wěn)定生成是瓦斯水合分離技術(shù)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵，添加表面活性劑和晶種是促進(jìn)瓦斯水合物生成的主要手段。

吳強(qiáng)等(2009)研究了低濃度瓦斯在十二烷基硫酸鈉(SDS)溶液及SDS-高嶺土復(fù)配溶液中水合物生成情況，測(cè)定了水合物中CH4的濃度，考察了SDS和高嶺土晶種對(duì)瓦斯水合物生成誘導(dǎo)時(shí)間、平均生成速率及CH4水合分離效果的影響，實(shí)驗(yàn)獲取了低濃度瓦斯在4個(gè)體系中，即SDS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.34%的SDS溶液及高嶺土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.47%、5.64%和8.23%的SDS-高嶺土復(fù)配溶液中瓦斯水合物生成過程壓力-溫度-時(shí)間(p-T-t)曲線，利用氣相色譜儀測(cè)定了分離產(chǎn)物中CH4的濃度。高嶺土用途十分的廣泛，結(jié)果表明，SDS和SDS-高嶺土復(fù)配體系縮短了瓦斯水合物生成誘導(dǎo)時(shí)間，提高了瓦斯水合物生成速率。4個(gè)體系中，瓦斯水合物生成誘導(dǎo)時(shí)間較短為72min，平均生成速率非常大可達(dá)5.261×106m3/h;―級(jí)水合分離產(chǎn)物中CH4濃度比原料氣提高了12.40%〜20.61%，在SDS-高嶺土復(fù)配溶液中，瓦斯水合物分形生長(zhǎng)，CH4提純濃度理想可達(dá)58.41%。

研究表明，高嶺土的加入促進(jìn)了水合物晶體生長(zhǎng)，使得水合物晶體中包含的CH4量增大，瓦斯水合分離效果更好。高嶺土生產(chǎn)線比較復(fù)雜，正是因?yàn)槿绱耍邘X土的作用才會(huì)如此的多，質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的SDS-高嶺土體系可以使水合物晶體分形生長(zhǎng)，水合物中CH4濃度更高。生成的水合物中CH4濃度比原料氣分別提高20.61%和18.70%。同時(shí)發(fā)現(xiàn)水合物生成過程由晶體成核和生長(zhǎng)兩個(gè)階段組成。水合物成核是由水分子及周圍氣體分子形成的小分子簇經(jīng)歷溶解、生長(zhǎng)、再溶解過程達(dá)到臨界尺寸而形成可繼續(xù)生長(zhǎng)的晶核的過程。晶核需要在過飽和溶液中才能形成，由于CH4在水中的溶解度很小，在靜止的純水體系中，僅氣液接觸面CH4分子才能達(dá)到水合物成核所需濃度，因此，水合物一般在氣液接觸面生成，而且生成速率非常緩慢。當(dāng)加入表面活性劑SDS時(shí)，由于SDS具有親水基和親油基，親油基可以攜帶CH4等氣件分子進(jìn)入溶液相，降低了溶液的表面張力，增大了CH4等氣體分子在水中的溶解度。當(dāng)SDS超過臨界膠束濃度，SDS在溶液中以膠束的形式存在，增溶效果更好。由于SDS的增溶作用，使得CH4等氣體在溶液中更快達(dá)到過飽和，從而加速了水合物的結(jié)晶過程。在實(shí)驗(yàn)中所觀察到的SDS體系中水合物晶體顆粒首先在溶液中出現(xiàn)，進(jìn)而在較短時(shí)間內(nèi)整個(gè)溶液充滿水合物固體等現(xiàn)象驗(yàn)證了這一機(jī)理。

水合物結(jié)晶成核方式又分為均相成核和非均相成核兩種。非均相成核是水溶液中存在外來物質(zhì)粒子干擾條件下的成核，從自由能的角度看，外來物質(zhì)微粒在一定程度上可以降低成核勢(shì)能，誘導(dǎo)晶核的產(chǎn)生，因此非均相成核可以在比均相成核低的過飽和度下發(fā)生。當(dāng)SDS溶液中懸浮有高嶺土微粒時(shí)，高嶺土微粒促進(jìn)了非均相成核，因此與SDS溶液相比，SDS-高嶺土體系對(duì)水合物生成的促進(jìn)作用更好。

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