基于水合物两步生成动力学机理提出了新水合物热力学模型.doc

1引言 1.1研究的意义和目的 水合物是目前科学领域中的热门课题，不仅与石油天然气开采、储存和运输密切相关，而且与环境保护、气候变迁，特别是人类未来赖以生存的能源有关。一方面，由于水合物特殊的物理化学性质潜藏着巨大的工业应用潜能，另一方面，在天然气开采及储运过程中，其压力和温度会发生变化，尤其当天然气通过突缩孔眼时，由于摩擦耗能会产生较大的节流压降和温降。同时在天然气管道中，天然气的饱和含水量随天然气压力增加或温度降低而降低，在天然气经过变径管、阀门或过滤器、油嘴等节流时，虽然压力下降，但温度也下降，管道中天然气的饱和含水量随天然气压力增加或温度降低而降低，另外由于节流产生涡流，就有可能达到水合物生成的条件。水合物会导致阀门堵塞、气井停产、管道停输等严重事故，所以研究预测水合物的生成温度和压力条件以及如何防止水合物的生成是重要以及必要的。 通常，在输送天然气过程中清除水合物的方法是用热水或热蒸汽对管道进行加热，在水合物和金属接触点上，将温度提高到30～，推导出电解质体系天然气水合物生成条件预测的模型。 6）），流向为的管柱，如图2. 1所示。质量、动量和能量守恒方程如下： 质量守恒方程 若不考虑管道截面的变化，由质量守恒定律，气体流动连续性方程为 式中 —气体的密度，kg/m3； —气体的流速，m/s； —时间变量，s； —沿管长变量，m。 对于稳定流动，其流动参数不随时间而变化，式中左边第一项为0。因此，连续性方程为 即质量守恒方程 动量守恒方程 根据牛顿第二定律，由流体力学所建立的运动方程形式可写为 式中 —重力加速度，m/s2； —管道与水平面间的倾角，rad； —水力摩阻系数； —管道内径，m； —管道中气体压力，Pa。 对于稳定流动，方程中左边第一项为0，并考虑，得动量守恒方程 能量方程 根据能量守恒定律，由流体力学建立的能量方程为 式中 —单位质量气体向外界放出的热量，J/kg； —气体内能，J/kg； —气体的焓，J/kg； —管道位置高度，m。 对于稳定流动，方程右边第一项为0，同时考虑方程，则可化为 表示单位质量气体在管长为上的热量损失，由传热学关系有 式中 —管道的总传热系数，W/(m2·K)； —管道埋深处地温，K； —气体质量流量，kg/s。 则可写为 为了方便使,式可写为 2.1.2比焓梯度 由热力学一般关系，焓是温度和压力的状态函数，其微分形式如下式 则比焓梯度可表示为 由于气体在直管道中流动，其管径变化一般不大，故焦—汤系数甚小可忽略。所以，可认为 式中 —气体的比定压热容，J/(kg·K) 。 比焓梯度可写为 2.1.3水力摩阻系数 目前水力摩阻系数的计算公式有无数种，为了较全面考虑摩阻因素，对于输气管道而言，流动一般处于紊流区，包括光滑管紊流(水力光滑区)、部分粗糙管紊流(混合摩擦区)和完全粗糙管紊流(阻力平方区)三种情况。 对于距离较短，沿线工艺简单的输气管道，摩阻系数采用适用范围为5000≤≤107和0.00004≤≤0.05的条件下Jain公式计算： 式中 —雷诺数，无因次； —输气管道的内表面粗糙度，mm； —输气管道内径，式中单位为mm。 2.1.4气体总传热系数 总传热系数表示气体至周围介质的散热强弱，由下式表示 式中 —气体至管内壁的放热系数，W/(m2·K)； —管道外壁至周围介质的放热系数，W/(m2·K)； —第层（管壁、防护层、绝热层）导热系数，W/(m2·K)； —管道内径，m；