水合物储运(NGH)是近几年发展起来的天然气储运技术，已具备实现工业化的潜力。但水合物的生长是传质传热控制的反应，因此在放大实验中存在诸多不确定因素。针对该问题，王燕鸿副研究员对水合物反应器中多孔材料内甲烷水合物生成传热过程建立了基于化学反应动力学和多孔材料内传质传热的甲烷水合物生成传热数学模型，计算反应器内水合物生成分布和热量分布，设计和优化小型储运一体化天然气水合物储气罐。通过模拟与实验数据对比验证了该模型的可靠性，并对使用了不同热导率填料的水合反应过程进行数值模拟。结果显示，模拟值与实验值的绝对平均相对误差小于6%，生成传热模型准确性高；在水合反应过程中，热量传递是影响水合物生成速率的关键因素之一。导热不良时，易在水合物生成中心部分形成局部过热，对水合物生长造成热抑制。在进行水合物生成放大实验时，应特别注意反应器内部的热量控制。

图1 小型储运一体化天然气水合物储气罐示意图

图2 聚氨酯泡沫PU内z=0平面甲烷水合物温度随时间的变化

图3 泡沫铝AF内z=0平面甲烷水合物温度随时间的变化

图4 聚氨酯泡沫PU和泡沫铝AF体系内水合物温度计算值取点位置

图5 不同高度甲烷水合物温度随时间的变化

水合反应中，热量传递是影响水合物生成速率的关键因素之一。填料热导率越大，越有利于水合生成热移除以及水合物生成。导热不良时，容易在中心形成局部过热，对水合物生成造成热抑制。

该研究建立了多孔材料内甲烷水合物生成传热数学模型，通过与实验数据对比验证了该模型的可靠性，并对不同热导率的多孔材料内水合反应过程进行数值模拟，得到以下结论。

（1）模型验证中AARD小于6%，实验和模拟储气量趋势接近，表明该水合物生成传热模型基本准确，可靠性高。

（2）水合反应过程中，热量传递是影响水合物生成速率的关键因素之一。

（3）填料的热导率越大，越有利于水合生成热的移除以及水合物的生成。导热不良时，容易在中心部分形成局部过热，对水合物生成造成热抑制。

（4）该模型可用于水合反应器的设计和优化。在进行甲烷水合反应器设计时，应重点考虑反应器内的传热控制。

这一成果近期以“多孔材料中甲烷水合物生成的传热数值模拟研究”为题发表在国内化工方向的核心期刊化工学报上，文章的第一作者是郎雪梅副研究员，通讯作者为王燕鸿副研究员，本项目得到了国家自然科学基金项目(51876069，21736005)的资助。

引用本文： 郎雪梅, 姚柳眉, 樊栓狮, 李刚, 王燕鸿. 多孔材料中甲烷水合物生成的传热数值模拟研究[J]. 化工学报, 2022, 73(9): 3851-3860 (LANG Xuemei, YAO Liumei, FAN Shuanshi, LI Gang, WANG Yanhong. Numerical simulation of methane hydrate formation and heat transfer in porous materials[J]. CIESC Journal, 2022, 73(9): 3851-3860)