Экспериментальное и теоретическое исследование фазовых равновесий и превращений в гидратообразующих системах

В проекте проводилось молекулярно-динамическое моделирование устойчивости нанокластера гидрата метана в атмосфере CO2, N2 и CF4 для изучения динамических характеристик процесса разрушения гидрата и установления структуры поверхностного слоя наноразмерных частиц гидрата. Также было проведено моделирование эффекта самоконсервации в системе лёд Ih - гидрат N2 КС II (CF4 КС I , CO2 КС I) методами молекулярной и решёточной динамики с целью исследовать физико-химические свойства слоя на границе лёд Ih - гидрат N2 КС II (CF4 КС I , CO2 КС I) вблизи области термодинамической стабильности льда Ih, но за пределами стабильности гидрата N2 КС II (CF4 КС I , CO2 КС I). В ходе выполнения проекта проводилось исследование влияния молекулы газа CF4 и CO2 на решетку гидрата КС I и N2 на решетку гидрата КС II . Проведен расчёт свойств гидратов CF4, CO2 и N2 таких как тепловое расширение, плотность фононных состояний. Методами МД получена зависимость углового распределения O-O-O-углов от среднего угла в системе фаза льда Ih—фаза гидрата N2 КС II (CF4 КС I , CO2 КС I). Распределение рассчитано для трёх фаз: 1. В фазе переходного слоя лёд Ih—гидрат N2 КС II (CF4 КС I , CO2 КС I); 2. в фазе гидрата N2 КС II (CF4 КС I , CO2 КС I); 3. В фазе льда Ih. Построены профили локального и среднего давлений в системе фаза льда Ih-фаза гидрата N2 КС II (CF4 КС I , CO2 КС I) для радиальной и тангенциальной части в отдельности. Профили получены для трёх фаз. Получена зависимость объема ячейки гидрата N2 КС II (CF4 КС I , CO2 КС I) от температуры, проведено сравнение теплового расширения гидрата N2 КС II (CF4 КС I , CO2 КС I) (его расчетного значения) и льда Ih. Расчетными методами получены кривые радиального распределения плотностей фаз воды и газов (CH4, CF4), (CH4, CO2) и (CH4, N2) в модельной системе, состоящей из нанокластеров гидрата метана двух модификаций (КС-I и КС-II) в окружении газовой фазы, состоящей из молекул CF4, CO2 и N2. Построены кривые распределения состава (CH4, CF4), (CH4, CO2) и (CH4, N2) в фазе гидрата от состава газовой фазы и термобарических условий в модельной системе, состоящей из нанокластеров гидрата метана двух модификаций (КС-I и КС-II), в окружении газовой фазы, состоящей из молекул CF4, CO2 и N2. Показано, что в диапазоне температуры 180-270 K и давлении до 4.2 МПа существует эффект самоконсервации гидрата CF4. Были 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. Была исследована динамика роста газового гидрата в зависимости от интенсивности кипения сжиженного гидратообразующего газа. Разработана методика оценки выхода массы синтезированного в эксперименте газового гидрата через рост 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. Были проведены экспериментальные исследования по определению оптимальных параметров процесса на основе изучения кинетики гидратообразования в самоорганизующемся методе кипения-конденсации гидратообразующего газа в объеме воды. Определены области в объеме рабочего участка, в которых происходит сжижение газа, кипение газа и гидратообразование на поверхности пузырька. Показано влияние температуры воды на рабочем участке на процесс гидратообразования. Выявлена оптимальная температура воды, которая составила 3 оС. Были проведены исследования влияния температуры воды в зоне гидратообразования и интенсивности нагрева дна на рабочем участке на синтез газового гидрата фреона 134а. Было показано, что подводимый ко дну установки тепловой поток влияет не только на интенсивность кипения сжиженного гидратообразующего газа, но и позволяет эффективнее синтезировать газовый гидрат при более низкой температуре воды. Наложение этих факторов позволило получить максимальный выход газового гидрата при температуре воды 4 оС. При этом максимальный выход газового гидрата наблюдается при соблюдении в зоне гидратообразования термобарических условий близких к линии насыщения гидратообразующего газа. При этом более низкая температура воды в зоне гидратообразования приводит к конденсации фреона в пузырьках при всплытии с дальнейшим опусканием обратно в кипящий слой. Синтез газового гидрата при этом практически прекращается. Результаты, полученные в ходе выполнения работ по проекту представлены на Российских и Международных конференциях и опубликованы в международных журналах.