Экспериментальное и теоретическое исследование фазовых равновесий и превращений в гидратообразующих системах. Этап 1 (промежуточный)

Цель: разработка новых перспективных способов промышленного синтеза газогидратов для создания новых технологий транспортировки и хранения природного газа, а также технологий утилизации углекислого газа. Исследования микроскопических механизмов разложения газовых гидратов и процесса замещения гидрата метана на гидрат углекислого газа проведены методами молекулярной динамики с использованием стандартных программных комплексов и авторского программного обеспечения. Моделирование термодинамических функций клатратных гидратов выполнено в рамках статистико-термодинамической теории соединений включения. Разработаны методы лабораторного синтеза газогидратов. Проведены теоретические исследования по выявлению термодинамических и динамических условий существования эффекта самоконсервации гидрата углекислого газа. Изучен эффект самоконсервации в системе лед Ih – гидрат углекислого газа КС-I с термодинамической и динамической точки зрения. В модели для описания эффекта самоконсервации исследована роль корки льда, экранирующей лед Ih в системе лед Ih – гидрат углекислого газа КС-I, используя молекулярную динамику (LAMMPS). Проведено исследование степени влияния молекул-гостей CO₂ на решетку гидрата КС-I. Для этих целей использована разрабатываемая статистико-термодинамическая модель соединений включения. Показано, что коэффициент линейного термического расширения для льда Ih и пустой решетки КС-I очень близки друг к другу, однако встраивание молекул-гостей значительно увеличивает данный коэффициент. Из-за того что термическое расширение гидрата CO₂ значительно превышает таковое относительно пустой решетки, так же как и для гидрата CH₄, то для гидратов углекислого газа можно наблюдать эффект самоконсервации. Разработан метод теоретического анализа жидкой воды, льдов и гидратов. В рамках этого метода предложено описание воды в виде динамической сетки связей, образованных молекулами воды, лежащими на расстоянии, не превышающем 3,2 Å (критерий Н-связи для расстояния O ··· O). Предложенный подход использован для изучения процессов зародышеобразования в воде и переходов жидкость-жидкость в переохлажденной воде, а также для изучения процессов образования и диссоциации газовых гидратов. Проведены экспериментальные исследования по выявлению оптимальных параметров метода, основанного на самоорганизующемся процессе кипения и конденсации газа-гидратообразователя в замкнутом объеме воды. Проведены экспериментальные исследования влияния высоты водяного столба в рабочем участке, интенсивности нагрева дна, а также использования вторичной воды, образовавшейся после разложения газогидрата. Исследована динамика роста «шапки» в зависимости от уровня рабочего объема, показано, что небольшой уровень воды ускоряет процесс гидратообразования в данном методе. Исследована динамика роста газового гидрата в зависимости от интенсивности кипения сжиженного гидратообразующего газа. Выявлено, что большей интенсивности нагрева соответствует большая скорость гидратообразования. Разработан метод оценки выхода массы газового гидрата полученной в эксперименте по росту давления в результате диссоциации на основе уравнения состояния. Экспериментально исследован выход газогидратной массы в зависимости от уровня воды в рабочем объеме при различных интенсивностях нагрева и использовании вторичной воды. При использовании вторичной воды выход гидратной массы увеличивался.