客体分子数对甲烷水合物导热性能影响的分子动力学模拟

本文通过采用EMD方法Green-Kubo理论计算263.15 K 晶穴占有率0-100% sI甲烷水合物导热系数,研究客体分子数对甲烷水合物导热性能的影响。模拟结果显示,甲烷水合物的低导热性能由主体分子构建的笼型结构决定。而在相同温压条件下,随着客体分子甲烷进入晶胞数目增多,晶穴占有率增大后,密度增大,同时客体分子对声子的散射也增强,二者均导致导热性能增强。     

甲烷水合物分解实验

在体积10 L的静态反应器中研究了水合物分解动力学,考察了储存温度和水合物量等因素对水合物分解的影响。实验结果表明,水合物在273.15 K以下时存在一种异常的自我保护效应,其在268.05 K时分解速度最慢;而水合物的储运压力与储罐中的水合物量有关,当储罐容积一定时,分解压力随着储罐中水合物量的增加而增加,但水合物的分解百分比随着水合物量的增加而减少;最后提出了在一定压力下储运水合物的方法。以期为水合物法固态储存气体技术的工业化应用提供实验数据和理论依据。     

气体水合物分解原理的研究

气体水合物作为清洁能源,具有良好的利用前景,而且由于气体水合物资源量大,能量密度高,可作为理想传统化石燃料的替代品,因此受到各国相关领域专家和政府的高度关注。基于此,主要探讨几种典型气体水合物的分解行为,包括甲烷水合物,二氧化碳水合物,氢气水合物,并总结分析不同种类气体水合物的分解原理及实现过程,以期实现天然气水合物的大规模安全开采。     

Ⅰ型甲烷水合物稳定性的分子动力学模拟

利用计算机模拟研究了CH4笼型水合物中的晶穴占有率对甲烷水合物稳定性的影响。模拟结果表明晶穴在部分被占有的情况下,水合物的笼型结构依然能够保持稳定,水合物的势能和压力与晶穴占有率有关,势能随着晶穴占有率的增大而减小,且表现为负值,压力则表现为正值,并且随着占有率的增大而减小,晶体结构被分解的情况除外,通过模拟结果与实验结果的比较,最后推断出最有可能稳定存在的是晶穴被全部占有时的水合物。     

水合物降压分解的实验及数值模拟

在天然气水合物一维分解模拟系统上进行模拟多孔介质中水合物降压分解的实验。在考虑天然气水合物分解动力学机理以及流体渗流模型的基础上;建立天然气水合物降压分解的数学模型。利用模型对降压实验进行拟合;获得了多孔介质内水合物分解本征速度常数数量级为10 mol·m^-2·Pa^-1·s^-1;比文献中测定的纯水中水合物分解本征速度常数低3个数量级。对模型进行了参数分析;发现对于实验室规模的一维系统;分解动力学过程控制整个分解过程;而对于现场规模的水合物藏;整个开采过程受水合物藏流动特性的控制;而受水合物分解过程的影响较小。     

甲烷水合物分解动力学

根据两种测量水合物分解动力学的方法———恒定分解压力法及压力变化法 ,采用气体水合物静力学实验装置测定了甲烷水合物的分解动力学数据 .由建立的分解动力学模型计算了甲烷水合物的分解速率 ,较好地拟合了所测得的实验数据 .实验数据验证了分解速率和水合物平衡压力下的逸度与实验压力下的逸度之差有关 ,计算的分解活化能为 73.3kJ·mol^-1(甲烷 ) .     

间壁换热分解开采天然气水合物的实验模拟

在自制3.5 L带内置换热器的可视化反应釜中,进行了不同间壁换热温度（84.8、72.2、50.5、30.9℃）的定容分解开采丙烷水合物实验模拟。分解初始时釜内气体压力迅速上升,随着分解的进行,压力增加的幅度逐渐减小,最后压力保持一定值。因此,将水合物分解过程分为释放气体阶段和分解尾声阶段。在释放气体阶段,气体大量产出,釜内压力迅速升高;在分解尾声阶段,釜内压力趋于平缓。计算得到总分解过程平均分解速率介于0.16～0.46 mol·min^-1·m^-2之间、总分解过程的能量效率介于1.33～3.74之间;释放气体阶段分解速率介于0.27～2.56 mol·min^-1·m^-2之间、水合物分解的能量效率介于2.25～5.58之间。与相关文献比较,间壁换热分解水合物的能量效率有很大程度提高。在实际应用中,存在一个最佳间壁换热分解温度,既提高水合物分解速率又提高能量效率。     

热盐水分解甲烷水合物实验研究

利用一维开采模拟系统,注入NaCl水溶液,进行甲烷水合物分解过程和开采模拟研究.结果表明在NaCl水溶液的作用下,甲烷水合物降温吸热分解.气体产出过程可以分为自由气产出阶段,水合物分解阶段以及水合物分解结束后常规气藏的气体产生阶段,而NaCl的加入可以提高水合物分解阶段的产气速率.在自由气产出期间基本没有水产出,在水合物分解期间,产水速率稍高于注水速率,水合物分解结束后,产水速率等于注水速率.     

甲烷水合物再汽化分解动力学模型建立

针对水合物法储运气体技术,实验研究了水合物再汽化分解过程,考察了加热温度、初始分解压力和反应器中水合物量等因素对水合物再汽化分解速率的影响。实验结果表明,当反应器中水合物量较多时存在分解速率缓冲现象,减慢了水合物的分解速率,而排气降压可以有效地提高水合物的分解速率。根据实验现象分析了水合物再汽化分解机理,认为水合物的分解速率主要取决于分解推动力的大小,而分解推动力又受传热速率和分解压力等条件的影响。结合传热和水合物分解速率方程,建立了水合物的再汽化分解模型,计算了不同热水温度、不同流量和不同压力等条件下水合物再汽化分解的产气速率,并与实验结果进行了对比,两者总体吻合较好,对存在的误差进行了原因分析。     

不同组成下二氧化硫水合物的模拟研究

在恒温恒压的条件下,设置体系所含的二氧化硫分子数量的百分比分别为20％、50％、80％和100％,本工作使用分子动力学模拟研究了二氧化硫水合物的扩散,并进一步研究了其配位数和氢键数.研究结果表明在恒温恒压的条件下,二氧化硫水合物的性质随组成比的不同而发生变化.     

不同分子模型对甲烷水合物分解微观特性表征

采用SPC/E-UA、SPC/E-AA、TIP4P-UA和TIP4P-AA分子模型研究了NVE系综下甲烷水合物的微观分解特性。对比分析了不同模型下水合物的平衡温度及分解热。研究了F3随空间及时间的变化,对液态水-水合物的界面进行了界定。比较了不同区域的势能的变化规律,发现分解过程具有显著的非平衡传热特性。分析了水和甲烷密度的空间分布规律及逸出的甲烷分子数随时间的变化规律,发现甲烷逸出速度逐渐减小。对不同模型下分解所需的活化能进行了计算,并与实验值进行对比。对比不同区域均方位移及扩散系数发现分解呈现显著的非平衡传质特性。研究表明甲烷分子模型对分解影响甚微,而水分子模型影响较为明显,在NVE系综下通过SPC/E模型表征的平衡温度、活化能及分解热与实验值更加吻合。     

甲烷水合物声子导热及量子修正

采用平衡分子动力学方法模拟了甲烷水合物的导热,给出了30～150 K甲烷水合物的热导率。采用量子修正对分子模拟结果进行处理,可以得到更接近实验值的结果。当模拟温度低于德拜温度时,量子效应对分子模拟结果的影响较大。通过对热流自相关函数拟合得到了声学声子和光学声子的弛豫时间。结果显示,声子弛豫时间随温度增加逐渐减小,声学声子导热在水合物的导热中比重最大。随着碳氧原子之间相互作用力的增加,碳氧原子之间振动的耦合程度增加,甲烷水合物的热导率增加。     

H型气体水合物导热系数的分子动力学模拟

气体水合物^[1]是由水和小分子气体形成的非水学计量型笼型晶体。到目前为止,已经发现的气体水合物结构有3种,即Ⅰ型、Ⅱ型和H型,水合物的导热系数是一个很重要的物性参数,人们已对Ⅰ型和Ⅱ型水合物的导热系数进行了较多的实验和理论研究,包括分子模拟研究^[2],由于H型水合物发现较晚,其导热系数无论是实验值还是理论值均未见文献报道,因此本文对H型水合物的导热系数进行了分子动力学模拟。为了给H型气体水合物导热系数的模拟计算提供可靠的热能模型和模拟算法,本文首先对冰体系和空水合物的导热系数进行了分子动力学模拟。     

水合物动力学抑制剂的作用机理研究进展

水合物动力学抑制剂作为低液量抑制剂,其可应用于深水流动保障风险控制水合物冻堵问题,受到国内外研究者的广泛关注。本文重点阐述了动力学抑制剂的可承受最大过冷度和对诱导时间的延长这两个评价指标,同时梳理了动力学抑制剂对水合物生成及分解过程影响的研究成果。总体而言,可承受最大过冷度越大、延长诱导时间程度越强的动力学抑制剂,抑制水合物生成并保障流动安全的可靠性越高;动力学抑制剂对水合物生成与分解过程存在复杂的影响规律。本文将其对气体消耗速率、气体消耗量和形态,分解温度、时间和分解速率,“记忆效应”等影响进行了分析。结合上述研究成果,总结了动力学抑制剂对水合物的影响机理,特别是提出了化学型动力学抑制剂对水合物吸附抑制机理的概念示意图。最后,给出了未来深入开展动力学抑制剂研究的建议。     

注乙二醇溶液分解甲烷水合物的实验研究

在甲烷水合物一维分解模拟系统上,进行了模拟注乙二醇溶液分解甲烷水合物的实验研究。使用甲烷气体与纯水在一定温度、压力条件下,在沉积物中合成水合物。通过以不同速率注入不同浓度的乙二醇溶液,研究了化学法分解水合物过程中甲烷气体和水生产规律。实验结果表明,水合物分解产出甲烷气体的过程主要分为4个阶段：初始注入段、化学剂稀释段、水合物分解段和残余气体产出段。整个分解过程中,水的生产速率几乎保持恒定。通过对实验结果的能量分析表明,本实验条件下分解综合效率在0.20～0.88之间,并且受注入速率和化学剂浓度影响。在恒定注入速率条件下,分解效率在化学剂质量分数为60%时达到最大值。     

二氧化碳置换法模拟开采天然气水合物的研究进展

目前实验室模拟开采天然气水合物(NGH)的最主要的方法为外激法,通过注热、降压等方式使水合物分解释放出甲烷(CH₄),外激法最大的问题在于水合物的分解容易造成地层结构变化,导致地质斜坡灾害。利用二氧化碳(CO₂)在水合物相中置换开采CH₄,由于置换过程发生在水合物相中,不改变水合物相结构,因此可以降低地质灾害风险。本文全面介绍了利用CO₂在水合物相从NGH中置换CH₄的研究进展,从置换可行性、动力学模型、模拟研究、实验研究等方面对当前的研究进行了综述,并为进一步发展置换法开采CH₄技术指出了方向。     

H型气体水合物结构稳定性的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法首次对H型气体水合物的晶体结构及稳定性进行了研究,得到H型气体水合物中各分子（原子）作用点之间的径向分布函数．在此基础上,通过计算水合物晶格上水分子的平动均方置换、取向均方置换以及取向自关联函数,考察了温度和客体分子对H型气体水合物结构稳定性的影响．结果表明：在水合物生成条件下,水合物晶体结构的稳定性依赖于晶体胞腔空穴中的客体分子;而对温度的变化则不太敏感．     

气体水合物分解动力学研究现状

对气体水合物分解动力学研究现状进行了文献综述,总结了对气体水合物分解动力学的基础研究和应用研究. 基础研究着眼于气体水合物本征分解动力学研究和传热、传质对分解的影响. 应用研究主要介绍了针对天然气储运技术、多孔介质和地层水合物开采的气体水合物分解动力学研究,并展望了未来气体水合物分解动力学的研究方向.     

多孔介质中甲烷水合物不同分解方法实验研究

冻土区天然气水合物是未来能源的重要补充,然而冻土区天然气水合物的开采研究还处于初级阶段。本文利用一维水合物分解实验装置,在1.24～1.35 ℃以及2.83～2.89 MPa温度压力条件下,模拟冻土区天然气水合物降压定压分解以及注热水定压分解实验研究,分析降压分解及注热水分解过程中温度、压力、产水以及产气随时间变化特性及能量效率。研究结果表明,分解过程产气可分为自由气释放、水合物分解以及残余气体产出3个阶段,实验过程中温度先降后升,降压分解过程与注热水分解自由气产出阶段基本没有水产出,而在水合物分解阶段,产水速率与注水速率相等。注热分解过程中能量效率先升后降,注热量越大,能量效率越低。     

微波作用下天然气水合物分解的研究及应用

介绍了微波和天然气水合物的作用的国内外实验研究进展，说明了微波对天然气水合物的分解有很大的促进作用，分析了用微波加热开采天然气水合物资源、解除天然气输送、开采过程中天然气形成水合物而造成的堵塞等应用的可行性，最后展望了微波在天然气工业中的广泛应用前景。