天然气水合物被认为是极具潜力的第四代新型替代能源,新发展的水合物技术在能源气储运、混合气分离、海水淡化等诸多领域均有着广泛的应用前景。目前水合物大量快速合成技术关键难题在于合成速度慢、储气密度低,无法实现规模化生产。鉴于此,本文以自行研制的水合物合成实验装置为基础,开展了静态体系和动态反应水合物合成规律特性实验研究,在此基础上设计了天然气水合物快速合成系统,以期探索水合物大样品快速合成方案。静态体系水合物合成实验主要研究了纯水及SDS作用下水合物合成过程。研究表明:7.35MPa,2.5℃条件下,纯水实验进行6天仅有少量水合物合成,釜体容积增大10倍诱导时间缩减至9.5h,增大气液接触面积能加快水合物合成;SDS对缩短水合物合成诱导时间,增大水合物生成速率均有显著作用,浓度0.216g/L时诱导时间为1293s,0.288g/L平均生长速率达到0.0112mL/s,最佳浓度范围为(0.216～0.432)g/L;与纯水实验相比,SDS增大了水合物的储气密度,但其浓度对水合物储气密度的影响并不显著。鼓泡实验过程分为三个部分:界面合成、液相返混及沿壁面后生长,研究了压力波动程度对诱导时间的影响。实验发现:一定范围内,压力波动越大,气液湍动越剧烈,合成诱导时间越小,越有利于天然气水合物的合成,初始压力4.5MPa时最佳压力波动程度为(1～1.2)MPa;压力波动程度1.2MPa和SDS质量浓度0.25g/L共同作用下合成诱导时间缩减到580s,证明鼓泡与SDS共同作用是水合物合成最佳的实验方法,既缩短了诱导时间又保证了水合物具有较高的储气密度。基于上述研究,设计了天然气水合物快速合成系统。采用鼓泡、喷淋和搅拌三位一体方式促进水合物快速合成,并绘制了回路流程图;设计了系统关键设备及具体的实验流程,包括反应釜、稳压器和搅拌机构,对相关辅助设备进行了选型;基于Fluent模拟,分析了单通道多孔平板式鼓泡器,同时提出了通过补水稳压实现整个回路系统压力稳定的方法,同时提出了水合物储气密度测试新方法。该系统的成功研制,其结果为模拟海洋天然气水合物开采提供了样品快速大量合成方案,为水合物合成技术工业化进程提供思路和建议。