黃婷，李長俊，丁麟，李清平，ZACHARY M Aman

（1 中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京100028；2 天然氣水合物國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100028；3 西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，四川成都610500；4 中國石油勘探開發(fā)研究院，北京100083；5 西澳大學(xué)機(jī)械與化學(xué)工程學(xué)院，澳大利亞珀斯6009）

已知在氣水體系中，水合物生長、分解動(dòng)力學(xué)主要受到溫度、壓力和外界擾動(dòng)強(qiáng)度的影響。在水合物動(dòng)力學(xué)研究的初期，Vysniauskas 和Bishnoi[1]便通過實(shí)驗(yàn)研究了不同溫度壓力條件下水合物的生長速率，Kim 等[2]通過降壓或升溫的方式促使水合物分解，研究了溫度和壓力對(duì)水合物分解速率的影響。目前，已有比較豐富的實(shí)驗(yàn)研究成果顯示溫度和壓力對(duì)水合物動(dòng)力學(xué)的影響規(guī)律[3-6]。但是，對(duì)擾動(dòng)強(qiáng)度這一影響因素的研究還有待進(jìn)一步豐富，可借鑒的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較為缺乏。

此外，在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行模型研究時(shí)，溫度和壓力對(duì)水合物生長、分解速率的作用可以直接體現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)力上[7-9]。不同體系具有熱力學(xué)一致性，不隨尺度改變而改變。但對(duì)于已定形狀和尺寸的反應(yīng)釜來說，擾動(dòng)強(qiáng)度由攪拌速率決定；對(duì)于循環(huán)管路，擾動(dòng)強(qiáng)度可通過氣液相流速來控制?？梢姅_動(dòng)強(qiáng)度和反應(yīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、尺寸等有很大關(guān)系，因而對(duì)水合物動(dòng)力學(xué)特征的影響規(guī)律更為復(fù)雜。

Mohebbi等[10]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，攪拌速率小于250r/min，僅在氣液界面形成水合物薄層；攪拌速率300r/min，水合物生長30min 后在氣液界面形成較厚水合物層，阻礙生成氣的進(jìn)一步擴(kuò)散。施政灼等[11]詳細(xì)調(diào)研了攪拌式天然氣水合物反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)和工作原理，并提出未來強(qiáng)化水合物生成的物理和機(jī)械手段。呂秋楠[12]針對(duì)攪拌強(qiáng)化和氣液混輸方式下水合物生成動(dòng)力學(xué)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，揭示影響水合物生成速率的控制因素及控制機(jī)制。盡管目前國內(nèi)外已有較多關(guān)于攪拌或擾動(dòng)對(duì)水合物生成分解及流動(dòng)特性影響的研究，但仍需進(jìn)一步揭示攪拌與水合物生長、分解及漿液流動(dòng)性之間隨時(shí)間演變的相互作用及本質(zhì)原因。因此，本文基于全透明高壓反應(yīng)釜水合物動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，深入分析攪拌在水合物成核、生長和分解過程中的作用，同時(shí)進(jìn)一步揭示水合物漿液的流動(dòng)特性。

1 實(shí)驗(yàn)裝置和方法

1.1 裝置

本文采用澳大利亞西澳大學(xué)水合物流動(dòng)保障實(shí)驗(yàn)室的全透明高壓反應(yīng)釜裝置進(jìn)行甲烷水合物生長和分解動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)[13]，其外觀如圖1所示。通過該高壓全透明反應(yīng)釜，可以直接觀察到水合物的形成、生長、聚集、堵塞和分解過程，也可以觀察水合物顆粒在連續(xù)相介質(zhì)，如氣、油、水相中的分布情況。該裝置包含一個(gè)由內(nèi)徑50.8mm、長127mm、壁厚8.5mm的藍(lán)寶石圓管形成的密閉反應(yīng)單元、攪拌系統(tǒng)、水浴溫控系統(tǒng)和管線系統(tǒng)四個(gè)重要組成部分。圖2 所示為該高壓反應(yīng)釜的流程示意圖。其中，攪拌系統(tǒng)的葉片安裝在由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的磁力耦合攪拌軸（型號(hào)為MRK 14/60）的末端。電機(jī)能夠達(dá)到的最大轉(zhuǎn)數(shù)是1800r/min，精度為±1r/min。實(shí)驗(yàn)過程中可通過扭矩測(cè)量儀測(cè)量不同轉(zhuǎn)數(shù)下的扭矩值，測(cè)量范圍最大到57N·cm，精度為±0.04N·cm。圖3所示為扭矩測(cè)量儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

圖1 高壓全透明水合物反應(yīng)釜外觀圖

圖2 高壓全透明水合物反應(yīng)釜流程圖

本文將攪拌作為一個(gè)關(guān)鍵因素，重點(diǎn)分析攪拌速率對(duì)水合物成核和生長過程的影響以及攪拌與否對(duì)水合物塊分解的作用，同時(shí)分析不同攪拌速率下水合物漿液的流動(dòng)特性。實(shí)驗(yàn)方法大致可以概括為：反應(yīng)釜清洗干燥；反應(yīng)單元注水密封置換掉空氣；室溫下通入純度99.999%的甲烷氣體升壓；檢查氣密性；開啟水浴溫控系統(tǒng)；設(shè)定攪拌電機(jī)轉(zhuǎn)速和最大扭矩值，開始攪拌；水合物生成穩(wěn)定后加熱促使水合物分解；待水合物完全分解，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后泄壓排空。實(shí)驗(yàn)過程中由鉑電阻溫度計(jì)、壓力傳感器和扭矩傳感器傳輸?shù)男盘?hào)通過LabVIEW 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行收集。考慮到實(shí)驗(yàn)的可操作性，本文將水合物生成階段的攪拌速率設(shè)定在200～1000r/min。實(shí)驗(yàn)設(shè)定為定容條件，初始?jí)毫?.5MPa，初始溫度20℃，實(shí)際每組初始條件會(huì)有稍許差別，詳見表1。

圖3 扭矩測(cè)量儀

表1 實(shí)驗(yàn)初始條件

由于水合物生成后會(huì)引起攪拌扭矩增大，電機(jī)負(fù)荷增強(qiáng)，本實(shí)驗(yàn)中為了保護(hù)攪拌系統(tǒng)，設(shè)置了最大扭矩值15N·cm，實(shí)驗(yàn)過程中超過該值以后，攪拌自動(dòng)停止。實(shí)驗(yàn)開始進(jìn)入水合物分解階段時(shí)，電機(jī)都是停止工作的，因而都沒有攪拌作用。當(dāng)分解進(jìn)行到一定程度以后，可以手動(dòng)開啟攪拌系統(tǒng)，因此實(shí)驗(yàn)中只通過設(shè)定攪拌和不攪拌兩種條件來觀察體系流動(dòng)狀態(tài)對(duì)水合物分解速率的影響，表1標(biāo)明了各組實(shí)驗(yàn)中分解階段是否有攪拌。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理依據(jù)質(zhì)量守恒和氣體狀態(tài)方程，進(jìn)行每一時(shí)刻甲烷氣消耗量和累積水合物生成量計(jì)算；水合物體積分?jǐn)?shù)是水合物體積占漿液總體積的百分?jǐn)?shù)；通過分析甲烷氣消耗速率曲線可以得到水合物生長速率的最大值及平穩(wěn)值。詳細(xì)數(shù)據(jù)處理方法參考文獻(xiàn)[14]。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 攪拌速率對(duì)水合物生長的影響

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，隨著水浴溫度的逐漸降低，體系首先達(dá)到甲烷水合物的三相平衡點(diǎn)，之后進(jìn)入成核誘導(dǎo)期；當(dāng)反應(yīng)釜內(nèi)出現(xiàn)明顯的壓降和稍許的溫升時(shí)，認(rèn)為水合物的快速生長階段開始；隨著水合物體積分?jǐn)?shù)的增加，體系呈現(xiàn)水合物顆粒的均相分布向非均相分布的轉(zhuǎn)變；當(dāng)水合物體積分?jǐn)?shù)增加到一定程度以后，攪拌電機(jī)扭矩值急劇增大，直到超過設(shè)定的臨界值，從而攪拌作用停止，水合物進(jìn)入緩慢生長階段；待穩(wěn)定以后，在水浴加熱作用下水合物塊逐漸分解，最后體系恢復(fù)到初始的壓力值。本節(jié)分別討論攪拌速率對(duì)水合物生成誘導(dǎo)期、最大生成量以及水合物在快速生成前期的生長速率的影響。

圖4所示為誘導(dǎo)期和最大生成量隨攪拌速率的變化，取值為表1中相同攪拌速率下各組實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值。水合物開始生成時(shí)壓力5.81～6.48MPa，溫度0.8～3.9℃。誘導(dǎo)期隨攪拌速率的變化趨勢(shì)如圖4所示，可以看出隨著攪拌速率的增加，誘導(dǎo)期并沒有表現(xiàn)出一定的變化趨勢(shì)。這說明攪拌的擾動(dòng)作用雖然能夠增強(qiáng)體系的傳質(zhì)作用，但對(duì)于水合物成核過程的隨機(jī)性影響不大[15]。

圖4 不同攪拌速率下水合物生成誘導(dǎo)期和最大生成量的變化

水合物最大生成量隨攪拌速率的變化如圖4所示。在400r/min以下，水合物體積分?jǐn)?shù)隨攪拌速率并沒有明顯的變化趨勢(shì)；但在600～1000r/min，隨著攪拌速率的不斷增加，水合物最大體積分?jǐn)?shù)基本呈線性增大的趨勢(shì)。這是因?yàn)樵诟邤嚢杷俾蕳l件下，攪拌電機(jī)的功率較大，能夠承受更高的漿液黏度和流動(dòng)阻力。所以在高攪拌轉(zhuǎn)速條件下，水合物生成的總量也相對(duì)較大。而在400～600r/min，最大生成量有所減少，這可能是由于600r/min下重復(fù)性實(shí)驗(yàn)較少，存在一定的隨機(jī)性。

攪拌的一個(gè)重要作用是能夠增強(qiáng)體系的擾動(dòng)程度，從而影響甲烷氣體的傳質(zhì)速率，而傳質(zhì)速率的改變則能進(jìn)一步影響水合物晶體的生長速率。圖5做出了不同攪拌速率下（200～1000r/min，第1、4、8、11和14組實(shí)驗(yàn)）水合物均相分布階段的生長速率隨時(shí)間的變化曲線。盡管這5組實(shí)驗(yàn)中水合物開始生長時(shí)的溫度和壓力不完全相同，但只在很小的范圍內(nèi)變化（溫度1.3～1.4℃，壓力5.86～6.19MPa）。并且這幾組實(shí)驗(yàn)中水合物開始生成時(shí)體系的過冷度（驅(qū)動(dòng)力）分別為6.65℃、5.96℃、6.90℃、6.69℃、7.05℃，過冷度之差在1.1℃以下，認(rèn)為可以忽略過冷度/驅(qū)動(dòng)力對(duì)生長速率的影響，從而定性討論攪拌速率的影響。過冷度是體系壓力下水合物的三相平衡溫度與體系溫度的差值，同逸度差和壓力差類似，可作為考量體系從當(dāng)前狀態(tài)向平衡狀態(tài)發(fā)展趨勢(shì)的指標(biāo)，即可直接將其稱為水合物生成、分解的驅(qū)動(dòng)力。

圖5 不同攪拌速率下水合物均相分布階段生長速率對(duì)比

由圖5 可以看出，水合物的生長速率隨著時(shí)間都呈現(xiàn)先增大再逐漸減小最后趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)。其中，在攪拌速率較小時(shí)（200r/min），生長速率增大和減小的幅度都很小，在12min 內(nèi)基本上可以看做是穩(wěn)定勻速生長。在攪拌速率較大時(shí)（1000r/min），水合物生長速率在1min 內(nèi)就能達(dá)到近600mol/(min·m3)，隨后在8min 左右便下降到60mol/(min·m3)，是最大值的1/10。

此外，在開始的2～3min內(nèi)，每組實(shí)驗(yàn)生長速率都能達(dá)到整個(gè)過程的最大值。隨著攪拌速率的增大，水合物的生長速率最大值以及之后的平穩(wěn)值，都呈現(xiàn)明顯的增大規(guī)律。如圖6所示，當(dāng)攪拌速率從200r/min增大到1000r/min時(shí)，生長速率最大值由10.1mol/(min·m3)增大到598.9mol/(min·m3)，生長速率平穩(wěn)值由9.9mol/(min·m3)增大到61.2mol/(min·m3)。同時(shí)，從圖6可以看出，最大生長速率和平穩(wěn)生長速率都與攪拌速率呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。可見，攪拌速率對(duì)水合物的生長速率有著很大的影響，其大小直接決定著反應(yīng)體系中介質(zhì)的擾動(dòng)強(qiáng)度，從而影響著水合物的生長速率和體積分?jǐn)?shù)。

圖6 水合物最大生長速率隨攪拌速率的變化

攪拌速率的作用規(guī)律與水合物生長時(shí)消耗的氣體分子的溶解狀態(tài)和傳質(zhì)擴(kuò)散形式有著密切的關(guān)系。在水合物生成前，由于持續(xù)的攪拌和溶解，甲烷氣體在液相中已達(dá)到過飽和狀態(tài)。因此，在水合物生成初期，水合物的生成所消耗的氣體主要來自于液相中的溶解氣。當(dāng)液相中溶解氣被消耗之后，由于氣液界面兩側(cè)氣相逸度差的驅(qū)動(dòng)，氣相中的氣體分子開始向液相主體擴(kuò)散。而在這個(gè)過程中，水合物生長所需的甲烷氣體則主要受液相中和氣液界面甲烷氣體分子的傳質(zhì)速率控制。如圖5所示，生長速率達(dá)到峰值之后便開始迅速下降，這可能正是由于液相中已溶解的甲烷分子被消耗，氣體濃度降低導(dǎo)致的。因此可以認(rèn)為水合物生長速率平穩(wěn)后的過程是只受甲烷分子傳質(zhì)作用控制的過程。由此可見，高攪拌速率條件下甲烷分子的傳質(zhì)效率也相對(duì)較高。

基于此過程，本文認(rèn)為攪拌速率可以從兩方面影響水合物的生長過程：一方面，攪拌可以通過施加強(qiáng)擾動(dòng)從而促使水合物固相隨著攪拌不斷與氣相界面、氣泡互相接觸，形成更多的氣液固三相接觸面積，增大水合物生長的反應(yīng)表面積；另一方面，由于水合物的初始形成往往是在氣相濃度較高的氣液界面處，首先形成一層水合物薄層覆蓋氣液界面，因此會(huì)大大降低氣相向液相的氣體傳質(zhì)效率。通過施加強(qiáng)攪拌，可以破壞氣液界面處已形成的水合物薄層，不斷更新氣液相界面，從而使氣液相界面處時(shí)刻維持較高的氣相傳質(zhì)效率。

總體來說，基于本文實(shí)驗(yàn)裝置，在涉及的攪拌速率范圍內(nèi)（200～1000r/min），水合物的生長速率隨著攪拌速率的增大而增大。攪拌速率的增大，一方面可以促使形成更多的氣液固反應(yīng)面積；另一方面，通過增強(qiáng)擾動(dòng)促進(jìn)了單位面積內(nèi)氣液相間傳質(zhì)，從而促進(jìn)水合物的生長過程。通過對(duì)攪拌速率影響規(guī)律的分析，進(jìn)一步證明了在氣水兩相反應(yīng)體系中，相間傳質(zhì)作用是影響水合物生長過程的關(guān)鍵[16]。

2.2 攪拌對(duì)水合物分解的影響

在水合物生長到一定程度后，由于水合物非均勻分布和粘壁堆積現(xiàn)象嚴(yán)重，攪拌電機(jī)的扭矩會(huì)急劇增加。為了保證電機(jī)正常運(yùn)行，人為設(shè)置了電機(jī)的扭矩上限值，當(dāng)電機(jī)扭矩達(dá)到上限后就會(huì)自動(dòng)關(guān)停。在分解實(shí)驗(yàn)初期，由于水合物已經(jīng)形成塊狀固體，所以電機(jī)仍然處于關(guān)停狀態(tài)。當(dāng)分解持續(xù)一段時(shí)間之后，會(huì)嘗試再次開啟攪拌電機(jī)，對(duì)釜內(nèi)施加攪拌。本文選擇3組有攪拌作用的分解實(shí)驗(yàn)，通過對(duì)比施加攪拌前后水合物分解速率的變化情況，得到攪拌對(duì)于水合物分解過程的影響。分解速率的測(cè)定與水合物生成速率測(cè)定一致，通過監(jiān)測(cè)體系壓力的變化，根據(jù)質(zhì)量守恒和氣體狀態(tài)方程可以得到每一個(gè)時(shí)間步長氣相中增加的氣體量，從而換算成水合物的分解速率。

圖7 所示為施加攪拌作用的第3、6、7 組實(shí)驗(yàn)中水合物分解速率隨時(shí)間的變化規(guī)律。三組實(shí)驗(yàn)中攪拌開始的時(shí)間分別為30min、40min和37min，攪拌過程中施加的攪拌速率相同。由圖7中可以觀察到，在施加攪拌之前三條分解速率的曲線大致重合，說明在不加攪拌的條件下水合物的分解速率與體系初始溫度、壓力及升溫速率沒有明顯關(guān)系。隨后開始施加攪拌，水合物的分解速率瞬間急劇增加，增加幅度可以達(dá)到原始分解速率的2～8倍。

圖7 攪拌對(duì)水合物分解速率的影響

通過對(duì)三組分解實(shí)驗(yàn)曲線的對(duì)比，認(rèn)為攪拌后分解速率增加的幅度與當(dāng)時(shí)水合物在釜內(nèi)的分布有關(guān)。因?yàn)樗衔锓纸馑盏臒崃啃枰?jīng)過釜壁從水浴向內(nèi)傳導(dǎo)，越接近壁面處的水合物分解速度越快。所以，如果攪拌開始前水合物的分布位置遠(yuǎn)離壁面，在攪拌的作用下水合物會(huì)重新分布，攪拌速率上升的程度比較明顯；相反，如果水合物原始分布位置集中在壁面附近，那么攪拌的作用則會(huì)被削弱，分解速率增加的幅度相對(duì)較小。

觀察第3組實(shí)驗(yàn)的分解速率曲線可以看到，在施加攪拌后水合物分解速率會(huì)穩(wěn)定在一個(gè)相對(duì)較高的值，是不加攪拌時(shí)穩(wěn)定分解速率的3倍左右。這說明攪拌的作用除了體現(xiàn)在改變水合物的分布位置之外，還存在其他的作用機(jī)理。Selim 和Sloan[17]的研究結(jié)果表明，水合物的分解過程與其固相反應(yīng)表面積有直接關(guān)系，分解面積的增加能夠直接增加水合物的整體分解速率。通過施加較強(qiáng)的攪拌，可以將釜內(nèi)的固相水合物團(tuán)塊或大的水合物顆粒攪碎，增加分解過程的反應(yīng)表面積從而促進(jìn)水合物的快速分解。另一方面，根據(jù)對(duì)分解過程中反應(yīng)釜的直接觀察，發(fā)現(xiàn)水合物分解過程中會(huì)產(chǎn)生大量的甲烷氣泡。氣泡在水合物表面的解吸和在液相中的轉(zhuǎn)移是限制水合物整體反應(yīng)速率的關(guān)鍵過程。通過施加攪拌，能夠有效促進(jìn)甲烷氣泡在液相中的相互接觸和碰撞，促進(jìn)其聚合并向氣液界面轉(zhuǎn)移，大大加強(qiáng)了分解過程中甲烷氣體的釋放速率。

綜上所述，攪拌對(duì)于水合物分解過程的促進(jìn)作用主要體現(xiàn)在三方面：①改善水合物分布位置，促進(jìn)內(nèi)部水合物團(tuán)塊向分解效率更高的壁面及氣液相界面處轉(zhuǎn)移；②通過增加水合物固相的分散性，增加分解過程的反應(yīng)表面積；③通過增加擾動(dòng)，促進(jìn)形成的甲烷氣泡的解吸、聚合及轉(zhuǎn)移，增加體系傳質(zhì)效率。

2.3 水合物漿液流動(dòng)特性分析

許多研究成果已經(jīng)表明水合物生成后會(huì)引起流動(dòng)體系黏度增加[18-21]。本文中水合物生成后體系將由純水體系轉(zhuǎn)變?yōu)楹衔锏臐{液體系，勢(shì)必會(huì)引起釜內(nèi)流體黏度的變化。實(shí)驗(yàn)過程中通過給攪拌電機(jī)設(shè)定恒定的攪拌轉(zhuǎn)速（200～1000r/min），可以將流體黏度的變化以攪拌電機(jī)扭矩/功率的變化顯示出來。流體黏度越大，葉片轉(zhuǎn)動(dòng)過程中受到的阻力也越大，相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩也就越大。

圖8 為第1、4、8、11 和14 組實(shí)驗(yàn)中攪拌電機(jī)扭矩隨水合物體積分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律?？梢钥吹? 組實(shí)驗(yàn)結(jié)果中攪拌電機(jī)扭矩的變化表現(xiàn)出了相同的規(guī)律，具體可以分為三個(gè)階段：①扭矩穩(wěn)定階段，此階段的主要特點(diǎn)是水合物體積分?jǐn)?shù)較低（小于20%）且呈均質(zhì)分布狀態(tài)，所以漿液黏度增加不明顯，攪拌電機(jī)扭矩比較平穩(wěn)；②扭矩急劇增加階段，此階段的水合物體積分?jǐn)?shù)為20%～30%，由于水合物體積分?jǐn)?shù)增加，體相內(nèi)出現(xiàn)了水合物的不均勻分布、粘壁和沉積等現(xiàn)象，導(dǎo)致漿液黏度迅速增加，所以攪拌電機(jī)的扭矩也急劇增加；③扭矩大幅震蕩及水合物堵塞階段，此階段內(nèi)水合物體積分?jǐn)?shù)在30%以上，電機(jī)扭矩增加到一定程度后便開始劇烈震蕩，隨后急劇下降后關(guān)停，扭矩過大而關(guān)停的狀態(tài)可以認(rèn)為是水合物體積分?jǐn)?shù)過大引起的流動(dòng)堵塞。此過程和Joshi等[18]得出的環(huán)路高含水體系漿液流動(dòng)特性隨水合物體積分?jǐn)?shù)變化的結(jié)論一致，說明在高含水或純水體系，此過程在釜內(nèi)和流動(dòng)環(huán)路內(nèi)具有相似性。需要說明的是，圖8 的力矩測(cè)定中，有一個(gè)扭矩值超過了裝置安全保護(hù)范圍0～15N·cm，但未超過裝置測(cè)量的最大范圍0～57N·cm，這在實(shí)驗(yàn)過程是允許的。

圖8 攪拌電機(jī)扭矩隨水合物體積分?jǐn)?shù)變化規(guī)律

基于以上分析，本文認(rèn)為在純水體系中流體對(duì)水合物的攜帶能力存在一個(gè)臨界值。當(dāng)水合物體積分?jǐn)?shù)在臨界值以下時(shí)，水合物的不斷生長對(duì)漿液流動(dòng)特性的影響并不明顯；但如果水合物體積分?jǐn)?shù)超過這個(gè)臨界值，則會(huì)引起水合物固相的均勻分布和聚集、沉積等行為，導(dǎo)致漿液黏度急劇增加，流體流動(dòng)性變差。而如果水合物體積分?jǐn)?shù)超過臨界堵塞值，則流動(dòng)體系將面臨較高的水合物堵塞風(fēng)險(xiǎn)。觀察得知本文中漿液穩(wěn)定流動(dòng)的臨界水合物體積分?jǐn)?shù)為20%，臨界堵塞體積分?jǐn)?shù)為30%。

此外，從圖8 還可以看出，在穩(wěn)定流動(dòng)階段，攪拌速率越大，電機(jī)扭矩越大。說明在低水合物濃度條件下水合物漿液的流動(dòng)阻力與攪拌頻率或流體流速呈正相關(guān)。但當(dāng)水合物體積分?jǐn)?shù)超過穩(wěn)定流動(dòng)臨界值后，攪拌電機(jī)的扭矩開始呈現(xiàn)出無序性。說明此階段內(nèi)漿液黏度主要受水合物聚集、沉積和粘壁等隨機(jī)性行為的影響，而與攪拌頻率或流體流速關(guān)系不大。更加說明了此階段內(nèi)漿液流動(dòng)具有不可控、不可預(yù)測(cè)性。

由本文水合物漿液攪拌實(shí)驗(yàn)可以初步類比得知，在實(shí)際的水合物輸送管道中，為了保證水合物漿液良好的流動(dòng)性，避免出現(xiàn)水合物顆粒的堆積、聚集等不均勻分布現(xiàn)象，應(yīng)該盡量將水合物體積分?jǐn)?shù)控制在20%以內(nèi)，當(dāng)系統(tǒng)允許的單位壓降較大時(shí)，可以適當(dāng)增大水合物體積分?jǐn)?shù)到30%，但會(huì)嚴(yán)重降低流動(dòng)體系的穩(wěn)定性并增加堵塞風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié)論

本文基于一套全透明高壓反應(yīng)釜，開展了一系列純水體系甲烷水合物生成、分解動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，分別探究了攪拌速率對(duì)水合物最大生成量和生長速率的影響和攪拌作用對(duì)水合物塊分解過程的影響，以及不同攪拌速率下的水合物漿液流動(dòng)特性，得到以下結(jié)論。

（1）未發(fā)現(xiàn)攪拌速率對(duì)水合物成核誘導(dǎo)期隨機(jī)性的影響，而釜內(nèi)的最大水合物生成量和生長速率都隨攪拌速率（200～1000r/min 范圍內(nèi)）的增大而總體呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。攪拌速率的增大，可促使形成更多的氣液固反應(yīng)面積，從而促進(jìn)水合物的生長過程。進(jìn)一步證明了在氣水兩相反應(yīng)體系中，相間傳質(zhì)作用是影響水合物生長過程的關(guān)鍵。

（2）攪拌對(duì)水合物的分解過程也具有促進(jìn)作用，體現(xiàn)在擴(kuò)大水合物固相的分解表面積，促進(jìn)水合物顆粒往更易獲得熱量的區(qū)域移動(dòng)，同時(shí)增強(qiáng)擾動(dòng)，促進(jìn)分解氣泡的解吸、聚合及轉(zhuǎn)移，提高體系傳質(zhì)效率。

（3）不同攪拌速率下，攪拌水合物漿液的電機(jī)扭矩隨著水合物體積分?jǐn)?shù)的增大呈現(xiàn)先保持平穩(wěn)，再逐漸增大最后劇烈波動(dòng)的規(guī)律。體系能夠正常攜帶的臨界水合物體積分?jǐn)?shù)為20%。