Магистерская диссертация на тему "ТЮМГУ | Гидрогелевые системы для многократного получения гидратов метана"

Работа на тему: Гидрогелевые системы для многократного получения гидратов метана
Оценка: отлично.
Оригинальность работы на момент публикации 50+% на антиплагиат.ру.
Ниже прилагаю все данные для покупки.
https://studentu24.ru/list/suppliers/Anastasiya1---1326

Описание работы

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования
«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
Кафедра прикладной и технической физики

РЕКОМЕНДОВАНО К ЗАЩИТЕ В ГЭК

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА
магистерская диссертация
ГИДРОГЕЛЕВЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ МНОГОКРАТНОГО ПОЛУЧЕНИЯ ГИДРАТОВ МЕТАНА

16.04.01 Техническая физика Магистерская программа «Физика недр»

Тюмень 2023 год

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 7
1.1. ПРОБЛЕМЫ ТРАНСПОРТИРОВКИ ПРИРОДНОГО ГАЗА 7
1.2. ТРАНСПОРТИРОВКА ГАЗА В ТВЕРДОЙ ГИДРАТНОЙ ФОРМЕ 7
1.3. СПОСОБЫ УВЕЛИЧЕНИЯ СКОРОСТИ И СТЕПЕНИ КОНВЕРСИИ ВОДЫ В ГИДРАТ 9
1.4. МНОГОКРАТНЫЕ ЦИКЛЫ ГИДРАТООБРАЗВАОНИЯ 10
1.5. СИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ ГИДРОГЕЛЕЙ 13
ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 17
2.1. МАТЕРИАЛЫ 17
2.1. МЕТОДИКА ПРИГОТОВЛЕНИЯ РАСТВОРА ПОЛИВИНИЛОВОГО СПИРТА 19
2.2. ПРИГОТОВЛЕНИЕ ДИСПЕРСНЫХ ГИДРОГЕЛЕВЫХ СИСТЕМ 19
2.3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА 21
2.4. ПОЛУЧЕНИЕ ГАЗОВЫХ ГИДРАТОВ. ОПИСАНИЕ МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА 23
2.5. ОБРАБОТКА ДАННЫХ 24
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ 28
3.1 ПРОВЕДЕННЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ 28
3.2. ВЛИЯНИЕ КОМПОНЕНТНОГО СОСТАВА ПОРОШКОВЫХ ГИДРОГЕЛЕВЫХ СИСТЕМ НА ПРОЦЕСС ОБРАЗОВАНИЯ ГАЗОВЫХ ГИДРАТОВ 28
3.3. ИССЛЕДОВАНИЕ СТАБИЛЬНОСТИ ПОРОШКОВЫХ ГИДРОГЕЛЕВЫХ СИСТЕМ В МНОГОКРАТНЫХ ЦИКЛАХ ОБРАЗОВАНИЯ/ДИССОЦИАЦИИ ГИДРАТОВ МЕТАНА 31
3.4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РАЗМЕРОВ ГИДРОГЕЛЕВЫХ ЧАСТИЦ НА ПРОЦЕСС ОБРАЗОВАНИЯ ГИДРАТОВ МЕТАНА 33
3.5. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОМПОНЕНТОВ НАСЫЩЕНИЯ СИСТЕМЫ НА ПРОЦЕСС ОБРАЗОВАНИЯ ГИДРАТОВ МЕТАНА 37
3.6. СРАВНЕНИЕ ПОРОШКОВЫХ ГИДРОГЕЛЕВЫХ СИСТЕМ С ИЗВЕСТНЫМИ СИСТЕМАМИ, ПРЕДЛАГАЕМЫМИ ДЛЯ МНОГОКРАТНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ 39
3.7. ИССЛЕДОВАНИЕ ЯВЛЕНИЯ САМОКОНСЕРВАЦИИ 41
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 43
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 47

ВВЕДЕНИЕ
Для транспортировки и хранения природного газа на настоящий момент времени используются следующие технологии хранения: трубопроводная, перевозка газа в сжиженном, компримированном или адсорбированном состояниях. Применение данных методов транспортировки осложнено высоким потреблением энергии, необходимостью использования дорогостоящих реагентов, ограничениями в расстоянии, взрывоопасностью и другими экономическими факторами. Газогидратные технологии транспортировки и хранения природных газов считаются альтернативой существующим технологиям по причине более выгодных экономических условий хранения и транспортировки. Кроме того, одним из наиболее ценных свойств газовых гидратов считается высокое удельное газосодержание, благодаря которому в 1 м3 газового гидрата может содержаться до 170-180 м3 газа при нормальных условиях.
Газовые гидраты – это кристаллические нестехиометрические соединения включения, состоящие из молекул воды и газа, образующиеся при низких температурах и высоких давлениях. Однако, промышленное применение газогидратных технологий сдерживается по причине низкой скорости и невысокой степени конверсии воды в гидрат. Кроме того, среды, предлагаемые для хранения и транспортировки газов, должны также иметь высокую стабильность и воспроизводимость при применении в многократных циклах образования/диссоциации гидрата, то есть образовывать гидраты повторно в одной системе без снижения степени конверсии воды в гидрат и скорости роста гидрата. Это необходимо для многократного использования среды для транспортировки гидратов природного газа с высокой скоростью и степенью конверсии воды в гидрат в целях сокращения экономических затрат на производство самой системы.
В последнее время, учеными были проведены исследования, направленные на поиск и получение систем, перспективных для многократного использования в циклах образования/диссоциации гидратов природных газов. Среди этих систем можно выделить микрокапельные системы, стабилизированные гидрофобными наночастицами, такие как «сухая вода», «сухой гель»,
«желированные сухие растворы». Кроме того, исследовалась возможность применения систем на основе порошковых криогелей. Также можно выделить работы, в которых проводились исследования возможности многократного использования систем на основе гидрогелевых частиц.
Целью данной работы являлась разработка новой системы гидратообразования на основе гидрогелей для транспортировки и хранения газа в твердой гидратной форме, перспективной для использования в многократных циклах образования и диссоциации гидрата метана. Исследование проводилось методом физико-химического анализа, основанного на измерениях давление- объем-температура в изохорных условиях.
Первой задачей данной работы являлось исследование компонентного состава гидрогелевых систем (соотношение Гидрогель:Вода:Наночастицы) на процесс образования газовых гидратов, а также на конечные степени конверсии воды в гидрат. Во время выполнения работы использовались гидрогелевые частицы, гидрофобизированные пирогенные наночастицы кремнезема, дистиллированная вода, смешанные в различных соотношениях.
Второй задачей работы являлось исследование стабильности порошковых гидрогелевых систем в многократных циклах образования и диссоциации гидрата метана. Термоциклирование происходило в изохорных условиях. Во время выполнения работы проводилось до пяти циклов образования/диссоциации газовых гидратов.
Третьей задачей работы являлось исследование влияние размера гидрогелевых частиц на эффективность образования гидратов метана и стабильность систем в многократных циклах образования и диссоциации газовых гидратов. Во время выполнения работы проводилось сравнение систем с различными размерами частиц.
Четвертой задачей работы являлось определение влияния добавления различных компонентов насыщения в порошковые гидрогелевые системы на
эффективность образования гидратов метана и стабильность систем в многократных циклах образования и диссоциации газовых гидратов. Во время выполнения работы проводилось сравнение систем с различными компонентами насыщения гидрогелевых частиц, такими как дистиллированная вода, поливиниловый спирт.
Пятой задачей работы являлось определение влияния добавления гидрофобных наночастиц в порошковые гидрогелевые системы на процесс диссоциации гидратов метана, образованных в порошковых гидрогелевых системах, при отрицательных температурах.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. A new Two-Constant Equation of state. / D.-U. Peng, D. B. Robinson // Industrial & Engineering Chemistry Fundamentals. 1976. Vol. 15, № 1. Pp. 59–64.
2. A Review of Solidified Natural Gas (SNG) Technology for Gas Storage via Clathrate Hydrates. / H. P. Veluswamy, A. Kumar, Y. Seo [et al.] // Applied Energy. 2018. Vol. 216. Pp. 262–285.
3. Accelerated formation of THF? H2 clathrate hydrate in porous media. / D. Saha & S. Deng // Langmuir. 2010. Vol. 26, № 11. Pp. 8414-8418.
4. An investigation on repeated methane hydrates formation in porous hydrogel particles / B-H. Shi, L. Yang, S-S. Fan // Fuel. 2017. Vol. 194. Pp. 395–405.
5. Assessment of green approaches for the synthesis of physically crosslinked lignin hydrogels. / A. Morales, J. Labidi, P. Gullon // Journal of Industrial and Engineering Chemistry. 2020. Vol. 81. Pp. 475–487.
6. B. Zavan, R. Cortivo, G. Abatangelo. Hydrogels. Chapter: Hydrogels and Tissue Engineering. Springer-Verlag. 2009. 197 p.
7. Bioresponsive hydrogels / R. V. Ulijn, N. Bib, V. Jayawarna [et al.] // Mater Today. 2007. Vol. 10, № 4. Pp. 40–48.
8. CO2 capture using the clathrate hydrate process employing cellulose foam as a porous media / A. Nambiar, P. Babu, P. Linga. // Canadian journal of chemistry. 2015. Vol. 93, №8. Pp. 808–814.
9. Cooper A. I. Methane storage in dry water gas hydrates / W. Wang, C. L. Bray, D. J. Adams // Journal of the American Chemical Society. 2008. Vol. 130, № 35. Pp. 11608–11609.
10. Effect of polymer nanocomposites on methane hydrate stability and storage capacity / H. Ganji, J. Aalaie, S.H. Boroojerdi [et al.] // Journal of Petroleum Science and Engineering. 2013. Vol. 112, № 3. Pp. 32-35.
11. Effect of the Super Absorbent Polymer Stockosorb® on leaf turgor pressure, tree performance and oil quality of olive trees cv. Chemlali grown under field conditions in an arid region of Tunisia / H. Chehab, M. Tekaya, B. Mechri, [et al.] // Agricultural water management. 2017. Vol. 192. Pp. 221–231.
12. Efficient promotion of methane hydrate formation and elimination of foam generation using fluorinated surfactants / Q. Cao, D. Xu, H. Xu [et al.] // Frontiers in Energy. 2020. Vol. 14. Pp. 443–451.
13. Efficient promotion of methane hydrate formation and elimination of foam generation using fluorinated surfactants / Q. Cao, D. Xu, H. Xu [et al.] // Frontiers in Energy. 2020. Vol. 14. Pp. 443–451.
14. Evaluation and analysis method for natural gas hydrate storage and transportation processes / W. Hao, J. Wang, S. Fan [et al.] // Energy Conversion and Management. 2008. Vol. 49, №10. Pp. 2546–2553.
15. Experimental study on the methane hydrate formation from ice powders.
/ W. Liu, L. Wang, M. Yang [et al.] // Energy Procedia. 2014. Vol. 61. Pp. 619–623.
16. Formation kinetics & phase stability of double hydrates of C4H8O and CO2/CH4: A comparison with pure systems. / Y. Sowjanya, P.S. Prasad // Journal of Natural Gas Science and Engineering. 2014. Vol. 18. Pp. 58–63.
17. Formation of Methane Hydrate from Polydisperse Ice Powders / W. F Kuhs, D. K. Staykova, A. N. Salamatin // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2006. Vol. 110, № 2b. Pp. 13283–13295.
18. Fundamental principles and applications of natural gas hydrates / E. D. Sloan // Nature. 2003. Vol. 426, № 6964. P. 353–359
19. Gas hydrates of methane, ethane, propane, and carbon dioxide in the presence of single NaCl, KCl, and CaCl2 aqueous solutions: Experimental measurements and predictions of dissociation conditions / A. H. Mohammadi, W. Afzal, D. Richon // Journal of Chemistry Thermodynamics. 2008. Vol. 40. Pp. 1693– 1697.
20. Gas storage in “dry water” and “dry gel“ clathrates / B.O. Carter, W. Wang, D. J. Adams [et al.] // Langmuir. 2010. Vol. 26, № 5. Pp. 3186–3193.
21. Hydrate formation using water spraying in a hydrophobic gas: a preliminary study / K. Fukumoto, J. I. Tobe, R. Ohmura, [et al.] // American Institute of Chemical Engineers Journal. 2001. Vol. 47, № 8. Pp. 1899.
22. Influence of super-absorbent polymer on the growth rate of gas hydrate. /Q. Wu, Q. Zhang, B. Zhang // Safety science. 2012. Vol. 50, № 4. Pp. 865–868.
23. Kinetics of methane hydrate formation from polycrystalline deuterated ice. / A. J. Schultz & Y. Halpern // The Journal of Physical Chemistry. 2002. Vol. 106,
№ 32. Pp. 7304–7309.
24. Kudela V. Encyclopedia of Polymer Science and Engineering. Wiley- Interscience, New York.
25. Microencapsulated islets as bioartificial pancreas / F. Lim, A. M. Sun // Science. 1980. Vol. 210. Pp. 908–910.
26. Multi-cycle methane hydrate formation in micro droplets of gelatinous dry solution // L. Yang, X. Lan, D. Liu [et al.] // Chemical Engineering Journal. 2019. Vol. 374. Pp. 802–809.
27. Multiple methane hydrate formation in powder poly(vinyl alcohol) cryogel for natural gas storage and transportation / L.S. Podenko, A. O. Drachuk, N. S. Molokitina, A.N. Nesterov // Journal of Natural Gas Science and Engineering. 2021. Vol. 88.
28. Natural gas hydrate: an alternative to liquefied natural gas / J. S. Gudmundsson, A. Borrehang // Petroleum Review. 1996. Vol. 50, № 592. Pp. 232– 235.
29. Peculiarities of methane clathrate hydrate formation and solid-state
deformation, including possible superheating of water ice. / L. A. Stern, S. H. Kirby, W. B. Durham // Science. 1996. Vol. 273, № 5283. P. 1843–1848.
30. Physicochemical, foundations and structural design of hydrogels in medicine and biology / N.A. Peppas, Y. Huang, M.-L.Torres [et al.] // Annual Review of Biomedical Engineering. 2000. Vol. 2. Pp. 9–29.
31. Polymeric superabsorbent hydrogel-based kinetic promotion for gas hydrate formation / M. T. Sun, F. P. Song, G. D. Zhang // Fuel. 2021. Vol. 288.
32. Preventing gas hydrate agglomeration with polymer hydrogels. / Y. Seo,
K. Shin, H. Kim, [et al.] // Energy & Fuels. 2014. Vol. 28, № 7. Pp. 4409–4420.
33. Production of Methane Hydrates in Dispersed Frozen Aqueous Solutions of Polyvinyl Alcohol / V. P. Mel'nikov, L. S. Podenko, A. O. Drachuk [et al.] // Doklady Chemistry. 2019. Vol. 487. № 1. Pp. 198–202.
34. Promoted methane hydrate formation in-SO3--rich hydrogel clathrate. / F. Wang, F. P. Song, C. Li, M. T. Sun // Fuel. 2022. Vol. 323. Pp. 124398.
35. Promotion effect of polymers and surfactants on hydrate formation rate /
U. Karaaslan, M. Parlaktuna // Energy & fuels. 2002. Vol. 16. Pp. 1413–1416.
36. Research progress on influence factors of natural gas hydrate formation in porous media / Z. Pan, Z. M. Liu, D. J. Liu [et al.] // Chemical Industry and Engineering Progress. 2017. Vol. 36. Pp. 4403–4415.
37. Reversible hydrogen storage in hydrogel clathrate hydrates / F. Su, C. L. Bray, B. O. Carter [et al.] // Advanced materials. 2009. Vol. 21, № 23. Pp. 2382–2386.
38. Reversible methane storage in porous hydrogel supported clathrates / A. Ding, L. Yang, S. Fan [et al.] // Chemical Engineering Science. 2013. Vol. 96. Pp. 124– 130.
39. Role of surfactants in promoting gas hydrate formation. / A. Kumar, G. Bhattacharjee, B. D. Kulkarni [et al.]// Industrial & Engineering Chemistry Research. 2015. Vol. 54, № 49. Pp. 12217–12232.
40. Sloan E. D., Koh C. A. Clathrate Hydrates of Natural Gases Third Edition. Boca Raton: CRC Press, 2008. 721 p.
41. State of the Art and Prospects for the Development of the Hydrate-based Technology for Natural Gas Storage and Transportation (A Review) / M. E. Semenov,
R. S. Pavelyev, A. S Stoporev [et al.] // PETROLEUM CHEMISTRY. 2022. Vol. 62,
№ 2.
42. Storing Natural gas as frozen hydrate / J. S. Gudmundsson, M. Parlactuna,
A. Khokhar // SPE Production & Facilities. 1994. Vol. 9. Pp. 69–73.
43. Study on the kinetics of hydrate formation in a bubble column / Y. T. Luo, J. H. Zhu, S. S. Fan [et al.] // Chemical engineering science. 2007. Vol. 62, № 4. Pp. 1000–1009.
44. Surfactant effects on gas hydrate formation / Y. Zhong, R. E. Rogers // Chemical engineering science. 2000. Vol. 55. Pp. 4175–4187.
45. Synthesis and characterization of a model extracellular matrix that induces partial regeneration of adult mammalian skin / I. V. Yannas, E. Lee, D. P. Orgill // Proceedings of the National Academy of Sciences. 1989. Vol. 86. Pp. 933–937.
46. Synthesis of chemically cross-linked polyvinyl alcohol-co-poly (methacrylic acid) hydrogels by copolymerization; a potential graft-polymeric carrier for oral delivery of 5-fluorouracil / M. U. Minhas, M. Ahmad, L. Ali [et al.] // Journal of Pharmaceutical Sciences. 2013. Vol. 21, № 1.
47. Y.F. Makogon. Hydrates of Hydrocarbons, 1st ed. Oklahoma. Penwell Books. 1997. 482 p.
48. Влияние поверхностно-активных веществ на механизм и кинетику гидратообразования газов / О. Б. Кутергин, В. П. Мельников, А. Н. Нестеров // Доклады Российской академии наук. 1992. Т. 323. № 3. С. 549–553.
49. Истомин В.А., Якушев В.С. Газовые гидраты в природных условиях. Москва: Недра, 1992. 235 с.
50. Сравнительные экономические характеристики гидратной транспортировки природного газа / С. И. Долгаев, В. Г Квон, В. А. Истомин [и др.] // Вести газовой науки. 2018. Т. 33, № 1. С. 100–116.