A contribution to the theory of gas hydrate particle formation and decomposition in the process of their ascent in water.pdf Причины появления свободного газа на дне водоемов могут быть как природного характера (подводные грязевые вулканы, разломы осадочных пород), так и техногенного (аварии на подводных трубопроводах, буровых установках) [1, 2]. Одним из следствий достаточно длительного пребывания газовых пузырьков в области высокого гидростатического давления является образование на их поверхности гидратной корки. Последующее исчезновение гидратных частиц в приповерхностных слоях океана в процессе их всплытия происходит из-за их попадания в области термодинамических условий, соответствующих разложению газогидратов. Процесс всплытия газового пузырька со дна океана можно разделить на три области. В первой, соответствующей высоким давлениям, происходит образование гидратной корки на поверхности газового пузырька. Будем считать, что доминирующим фактором образования гидрата является интенсивность отвода тепла, выделяющегося при образовании гидрата, в окружающую воду. Вторая характеризуется всплытием монолитной газогидратной частицы, образовавшейся в первой области, без изменений, пока она не достигнет глубин, на которой термобарические условия удовлетворяют разложению гидрата (третьей области). В третьей, когда газогидратная частица попадает в приповерхностные слои океана, начинается его разложение, которое определяется конвективным теплообменом с окружающей жидкостью. 1. Образование газогидратной корки на поверхности газового пузырька Рассмотрим процесс образования газогидрата на поверхности одиночного газового пузырька при его всплытии в неограниченном объеме жидкости. Для теоретического описания процесса ось координат z направим вертикально вверх с началом в центре пузырька. Жидкость будем считать несжимаемой (р° = const). Для состояния газа примем уравнение Менделеева - Клайперона Р = PgRgTg , где pg , Tg - плотность и температура газа при текущем значении давления p, Rg -приведенная газовая постоянная с учетом коэффициента сжимаемости при высоком давлении. Здесь и в дальнейшем индексы «l», «g», «h» будем относить к параметрам воды, газа и гидрата. На границе контакта газа с водой будет образовываться гидратная корка. Будем считать эту гидратную корку достаточно рыхлой, и поэтому ее диффузионным сопротивлением при прохождении через нее газа можно пренебречь. Тогда рост массы газогидратного пузырька будет происходить только вследствие поступления воды из окружающей среды. Пусть j - интенсивность поглощения воды на образование гидрата, отнесенная на единицу площади сферической частицы. Тогда уравнение для изменения ее массы, состоящей из газового ядра и гидратной оболочки, запишем как dmhg 2 -t = 4< (1Л) Здесь mhg, ahg - масса и внешний радиус газогидратной частицы. Полагаем, что газ не уходит за пределы гидратной корки и с течением времени переходит в состав газогидата. Поэтому закон сохранения массы газа запишется как 3 nag3pg + 4 - ag К G=4 nag0pg0, (1.2) где ag - радиус газового ядра, Ph - плотность гидрата, G - массовое содержание газа в гидрате. Здесь и в дальнейшем дополнительный нижний индекс 0 соответствует исходным значениям параметров. Уравнение импульсов для гидратной частицы примем в виде d (w (mhg +^hg)К = f - f - (13) ,, -JA Л Jc. (13) dt Здесь силы Архимеда, тяжести, гидродинамического сопротивления соответственно определяются из выражений 0 2 /• 4 30 /• 4 // 3 3\ 0 3 \ г 2 Pl w fA = 3 nahgP0g , /т = 3 n((ahg - ag ) + agPg )g , fc = ^ahg — , а масса газогидратной частицы и присоединенная масса имеют вид 4 / 3 3\ 0 4 3 230 mhg = 3 n(ahg- ag К + 3 nagpg, ^hg = 3 nahgp0, где w - скорость всплытия включения. Для зависимости коэффициента гидродинамического сопротивления от числа Рейнольдса Re используем следующее выражение [3]: | = -12(1 + 0,08^879), Re = ^hgP> , Rev ' ^ где - динамическая вязкость воды. На внешней границе газогидратного включения (r = abg) выполняется условие баланса тепла jh lh = q q +, (1.4) где jh - интенсивность фазового перехода гидрата, отнесенная на единицу площади сферической частицы гидрата, q-, q+ - интенсивности тепловых потоков от стенки газогидратной частицы в воду и гидратную частицу, lh - теплота образования гидрата, отнесенная на единицу его массы. В составе газогидрата концентрация газа и воды подчиняются «стехиометри-ческому условию», поэтому интенсивности потребления газа jg и воды j с интенсивностью образования гидрата jh связаны как: jg = Gjh, ji =(1 -G)jh. (1.5) Примем, что процесс образования гидрата лимитируется отводом тепла от поверхности пузырька окружающей жидкостью, кроме того будем полагать, что q+

Скачать электронную версию публикации