和混合气体扩散实验及结果讨论

为了探讨CO2和CH4在纯水及不同盐类中扩散的差异，本次研究设计了20MPa、不同温度下CO2和CH4混合气体在纯水、1MCa Cl2、2MCa Cl2、饱和Ca（OH）2溶液中的扩散实验，实验方案如表4－5所示，实验方法同上。

表4－5 CO2和CH4在纯水及不同盐类溶液中扩散实验方案表

（一）CH4与CO2的扩散系数随温度的变化关系

CH4及CO2混合气体的扩散实验数据见图4－17。图中直线是观测实际浓度的平均值，圆、菱形、四边形、三角形、乘号分别代表各测点上浓度的观测值，曲线为扩散系数数值计算结果的拟合曲线。图标中a.1～a.10为50％CO2－50％CH4混合气体在纯水中的扩散实验， b.1～b.10为1MCa Cl2溶液中的扩散实验，c.1～c.10为2MCa Cl2溶液中的扩散实验， d.1～d.10为饱和Ca（OH）2溶液中的扩散实验。

通过实验数据计算得到的扩散系数如表4－6和图4－18所示。

表4－6 在P＝20MPa下50％CO2－50％CH4混合气体在不同溶液体系中的扩散系数D （单位：m2／s）

图4－17 P＝20MPa、不同温度下CO2和CH4在不同水溶液中扩散浓度随时间的变化

根据本次研究可知，CO2在盐水中的扩散系数DW（m2／s）与温度T（K）的关系可通过Speedy－Angell的幂指数方程表示：

DW＝D0（T／TS－1）m（4－29）

根据已有的实验数据拟合出CO2在纯水、1MCa Cl2、2MCa Cl2、饱和Ca（OH）2溶液中扩散系数与温度的关系为：

从实验数据表4－6和图4－18可以看出：50％CO2－50％CH4混合气体在不同溶液体系中的扩散系数均是随着温度的升高而增大。另外，扩散系数与溶液浓度有关的，溶液浓度越大，扩散系数越小。而且随着温度的增加，溶液浓度对扩散系数的影响增强。

图4－18 在P＝20MPa下CO2在不同溶液中的扩散系数随温度的变化

（二）CH4与CO2在不同溶液中的扩散系数的对比

图4－19 P＝20MPa下CH4和CO2在不同溶液中的扩散系数的对比

从图4－19（a）中可以看出50％CO2－50％CH4混合气体－纯水中的扩散系数在323K温度以下，CO2的扩散系数要大于CH4的，随着温度的升高CO2与CH4扩散系数的比值降低，最后在温度大于393K时，CO2与CH4扩散系数的比值随温度的变化不大。而从图4－19（b）和图4－19（c）中可以看出在Ca Cl2溶液中，CO2的扩散系数也大于CH4的扩散系数；并且随着盐水浓度的增加，在323K温度以上CO2的扩散系数要明显大于CH4的扩散系数。从图4－19 （d）中可以看出，由于饱和Ca（OH）2的浓度相对较低，因此其扩散系数与纯水的相差不大，略小于纯水的扩散系数，且CO2的扩散系数一直大于CH4的扩散系数。

（三）CO2在不同溶液中扩散系数对比

比较CO2在纯水、饱和Ca（OH）2溶液、Na Cl溶液及Ca Cl2溶液中的扩散系数，如图4－20所示。从图中可以看出：CO2的扩散系数与溶液组分有关，相同温压条件下，在纯水中扩散系数最大，其次是Ca（OH）2饱和溶液、Na Cl溶液，Ca Cl2溶液中的扩散系数最小。且浓度越大， CO2在其中的扩散系数越小。

图4－20 在P＝20MPa、不同温度下CO2在不同盐水溶液中扩散系数对比

通过对比CO2在Na Cl溶液（保守溶液）与Ca Cl2溶液中的扩散系数（表4－7，图4－21）可知：在相同温度压力浓度条件下，CO2在Na Cl（保守）溶液中的扩散系数要大于在Ca Cl2溶液中的扩散系数，并且随着盐度的增加，其差距也越来越大。这与上节中CO2与CH4扩散系数的对比相类似，可能是由于CO2在Ca Cl2溶液中存在反应的发生，从而导致其扩散系数的减小，并且随着Ca Cl2浓度的增加这种趋势也愈加明显。

表4－7 在P＝20MPa下Ca Cl2与Na Cl的扩散系数D （单位：m2／s）

图4－21 P＝20MPa下CO2在Ca Cl2与Na Cl溶液中的扩散系数对比