使用DSH分析技术测定纯二氧化碳（CO?）及富含二氧化碳的混合物中的水分含量

《Fluid Phase Equilibria》：Water content in pure CO 2 and CO 2-rich mixtures using the DSH analytical technique

水合物平衡条件下CO?及混合体系水含量测定方法与热力学模型研究。摘要：采用差示扫描水汽计（DSH）方法测定了纯CO?及CO?-CH?、CO?-CH?-N?混合物在水合物平衡条件下的水含量，实验温度压力范围为-10℃至10℃，2.5-15.0 MPa。通过van der Waals-Platteeuw模型表征水合物相，对比sCPA与SRK+EMS方程的热力学预测精度，验证了两种模型在混合气体体系中的适用性。

　　水含量的准确测定对于保障气体输送过程的稳定性和优化碳捕集与封存（CCS）技术至关重要。在天然气输送和碳捕集过程中，水含量的控制直接影响着系统的运行效率和安全性。尤其是在低温条件下，水含量可能非常低，甚至处于痕量级别，这使得精确测量成为一项挑战。因此，研究者们一直在探索更加高效、准确的水含量测量方法，以应对实际操作中可能出现的问题。

在这一背景下，差示扫描湿度计（Differential Scanning Hygrometer, DSH）技术的出现为水含量的测定提供了新的可能性。与传统的测量方法相比，DSH通过监测温度控制管内冰或露的形成过程中的水含量波动，而不是直接测量绝对值，从而实现了对水含量的精确测定。这种方法无需复杂的校准过程，提高了测量的便捷性和准确性。尤其是在CO?含量较高的系统中，DSH方法的引入显著增加了相关水含量数据的可用性，为后续的建模和分析提供了更坚实的基础。

本文的研究重点在于对纯CO?以及两种CO?含量较高的混合气体（CO?+CH?和CO?+CH?+N?）在与水合物平衡状态下的水含量进行实验和建模分析。研究团队采用了一种基于van der Waals-Platteeuw（vdW-P）理论的固溶体模型，对两种常用的方程状态（Equation of State, EoS）——sCPA和SRK+EMS进行了比较。这两种模型均被用于预测实验数据，并与实际测量结果进行对比。实验结果显示，两种模型在预测水含量方面均表现出良好的性能，其中SRK+EMS模型在某些情况下甚至优于sCPA模型。这一发现表明，在保持模型简单性的同时，SRK+EMS模型能够提供与更复杂的sCPA模型相当的预测精度。

实验过程中，研究团队使用了高精度的设备和严格的操作流程，以确保数据的准确性和可重复性。所使用的材料包括高纯度的甲烷、氮气和二氧化碳，以及去离子水。这些材料在实验前经过了详细的认证，以确保其纯度和一致性。实验设备包括温度控制的高压平衡池、用于压力调节的注射泵、用于气体输送的加热管线和阀门，以及用于测量气体流动的温度控制装置。这些设备的协同工作使得实验能够在稳定的条件下进行，从而获得可靠的数据。

实验结果表明，水含量随着CO?浓度的降低而减少，这主要是由于氮气和甲烷的加入导致水的溶解度下降。这一现象在CO?+CH?和CO?+CH?+N?的混合气体中尤为明显。通过比较不同分析方法（如TDLAS和DSH）的测量结果，研究团队发现，DSH方法在精度和可靠性方面均表现出色，其实验误差接近4%，这一误差范围被认为是可接受的。此外，实验数据还与现有的文献进行了对比，验证了研究结果的科学性和有效性。

在建模方面，研究团队采用了多种方程状态模型，以评估其在预测水含量方面的表现。其中包括经典的Soave Redlich Kwong（SRK）方程，结合了Huron Vidal（HV）混合规则和改进的NRTL局部组成模型，以及更为复杂的Cubic Plus Association（CPA）方程。此外，还对SRK方程的几种改进版本进行了比较，包括加入Edmonds-Moorwood-Szcepanski（EMS）混合规则的版本，以及sCPA模型。研究结果表明，SRK+EMS模型在预测水含量方面表现优异，且其结构相对简单，便于实际应用。

通过实验和建模的结合，研究团队不仅获得了新的水含量数据，还为未来在CO?输送和封存过程中的水合物控制提供了重要的参考。这些数据可以帮助工程师和研究人员更好地理解水合物形成和稳定性的条件，从而优化操作参数，避免潜在的堵塞和腐蚀问题。此外，研究结果也为开发更高效的水含量监测技术提供了基础，有助于提高整个系统的运行效率和安全性。

在实际应用中，水含量的测定对于确保气体输送过程的稳定性具有重要意义。特别是在碳捕集与封存（CCS）技术中，水含量的控制直接影响到水合物的形成和稳定性，进而影响气体的输送能力。因此，准确的水含量数据对于优化CCS系统的运行至关重要。DSH方法的引入不仅提高了数据的可获得性，还为相关建模工作提供了更加可靠的基础。

研究团队还对实验数据的可重复性和可用性进行了详细讨论。他们指出，实验数据的可重复性对于科学研究和工程应用都具有重要意义。在本研究中，所有实验数据均在相同的条件下进行，并且通过多次实验验证了其一致性。此外，实验数据的可用性也得到了保障，所有数据均被整理成表格形式，并附在论文中，供其他研究者参考和使用。

本文的研究不仅限于实验数据的收集和分析，还包括对现有文献的回顾和比较。通过对比不同研究团队在相同或相似条件下获得的水含量数据，研究团队发现，尽管实验条件存在一定的差异，但总体而言，数据之间的偏差在可接受的范围内。这一发现表明，不同研究团队在实验方法和设备选择上的差异并未对最终结果产生显著影响，从而进一步验证了实验方法的可靠性和数据的可比性。

此外，研究团队还对实验过程中可能遇到的挑战进行了讨论。例如，在低温条件下，水含量可能非常低，导致测量难度增加。为了克服这一问题，DSH方法通过监测温度变化过程中水含量的波动，而不是直接测量绝对值，从而提高了测量的准确性。这一方法的优势在于其无需复杂的校准过程，且能够在较宽的温度和压力范围内进行测量。

综上所述，本文的研究为水含量在与水合物平衡状态下的测定提供了新的实验方法和建模工具。通过DSH技术，研究团队成功地获得了纯CO?以及两种CO?含量较高的混合气体的水含量数据，并利用sCPA和SRK+EMS模型对这些数据进行了预测和分析。实验结果表明，这两种模型在预测水含量方面均表现出良好的性能，其中SRK+EMS模型在某些情况下甚至优于sCPA模型。此外，实验数据的可重复性和可用性也得到了充分的保障，为未来的研究和工程应用提供了重要的参考。