天然氣開采利用中若干熱物理基礎(chǔ)問題的分子動力學(xué)研究.pdf

1、在天然氣的開采、加工、儲運過程中,存在諸多與熱物理相關(guān)的問題亟需解決。例如:預(yù)測地殼中高溫高壓條件下,天然氣流體的相行為特征;天然氣中的雜質(zhì)隨環(huán)境改變,析出沉積在管道表面,造成設(shè)備堵塞及腐蝕問題;天然氣在多孔介質(zhì)中的表面特性;天然氣水合物的熱物理性質(zhì)及其界面特性等。由于實驗條件和理論基礎(chǔ)受溫度,壓力,天然氣分子種類等因素的限制,使得通過常規(guī)手段(宏觀實驗和理論分析)研究上述問題存在很大局限性。本文采用分子動力學(xué)方法,研究了天然氣開采利用

2、中的若干熱物理基礎(chǔ)問題。建立分子動力學(xué)研究天然氣固體雜質(zhì)溶解模型;模擬了元素硫在S/H2S體系中的核化生長過程;揭示了流體分子在納米通道中與固體表面粒子作用的微觀機理;并對甲烷水合物導(dǎo)熱問題及水合物體系中水分子的微觀構(gòu)型進行了討論。主要研究內(nèi)容及結(jié)論如下：
　?、呕诜肿觿恿W(xué)方法,建立了兩種固體溶解模型,并分別對CO2在低溫CH4中以及硫在H2S中的溶解機理進行了討論。結(jié)果表明,提出的固液溶解模型,可以準(zhǔn)確計算CO2在150 K

3、以下CH4中的溶解度。而H2S溶解模型研究結(jié)果表明,H2S溶劑化層模型可以得出硫在H2S中的溶解趨勢。由于沒有考慮到化學(xué)溶解作用,計算結(jié)果小于實驗值。
　?、茟?yīng)用化學(xué)反應(yīng)勢函數(shù)首次研究了硫在硫/硫化氫混合體系中的核化生長過程。得出元素硫沉積初期生長規(guī)律,發(fā)現(xiàn)硫核化生長的兩種方式:雪球效應(yīng)和硫團簇融合。核化初期,硫團簇以雪球效應(yīng)生長方式為主。團簇生長超過相應(yīng)的臨界狀態(tài)后,兩種生長方式共同作用,加快硫團簇生長速率。在整個過程中,硫的聚

4、合物(同素異形體)對整個核化過程以及H2S的分解起催化作用。
　?、墙⒘肆黧w分子在納米通道中的作用模型,探討流體分子在固體表面粒子影響下熱物理相關(guān)性質(zhì)的變化。研究了金紅石型TiO2(110)納米通道對CH4/H2S混合流體的吸附分離效果,結(jié)果表明TiO2納米通道表面上吸附的CH4數(shù)量要多于H2S,但 TiO2納米通道對H2S的選擇性較高。在吸附過程中施加電場,可以提高TiO2納米通道對H2S的分離能力。CO2/N2混合流體在納米

5、通道中,固體表面對CO2的吸附能力強于對N2的吸附能力。當(dāng)CO2濃度較高時,CO2在納米通道表面上多層吸附,提高吸附效率。當(dāng) CO2濃度較低時,CO2在固體壁面呈單層吸附,小孔徑納米通道有利于CO2的吸附。石墨壁面對CO2/N2混合流體具有強烈的分離作用,但在小孔徑納米通道中受到兩壁面的共同吸引作用,分離效果反而降低。
　　⑷研究了流體在不同晶面結(jié)構(gòu)納米通道中的吸附和導(dǎo)熱性能,發(fā)現(xiàn)納米通道內(nèi)流體的導(dǎo)熱性能受固體表面結(jié)構(gòu)和溫度共同影

6、響?；诠腆w表面晶胞基本參數(shù),定義了一個比值參數(shù)R,用于表征固體表面結(jié)構(gòu)對流體相關(guān)性質(zhì)的影響。固體表面材料 R的增大將導(dǎo)致固體表面對流體吸附作用增強,固體表面上吸附的流體粒子增多,相應(yīng)納米通道中流體粒子的熱導(dǎo)率也有所提高。這些現(xiàn)象在低溫時表現(xiàn)明顯,隨溫度升高逐漸減弱。流體與固體接觸面存在界面熱阻,限制固體表面粒子與流體粒子的能量傳遞。當(dāng)體系溫度較低時,界面熱阻對固體表面粒子與流體粒子間的傳熱起主導(dǎo)作用,明顯降低流體的熱導(dǎo)率。隨溫度升高,

7、流體粒子與固體表面粒子相互作用劇烈,克服界面熱阻的影響,流體熱導(dǎo)率增強。
　　⑸討論了多種I型甲烷水合物結(jié)構(gòu)在高壓下的導(dǎo)熱性能,結(jié)果表明不同水合物結(jié)構(gòu)中水分子的排布構(gòu)型幾乎相同,熱導(dǎo)率各不相同。模擬中,空穴水合物結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱性能最好,晶格缺陷水合物結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱性能最差。進一步分析表明,高壓可以促進水分子和甲烷分子的導(dǎo)熱性能。高溫能促進甲烷分子的導(dǎo)熱性能,但會降低水分子的導(dǎo)熱性能。水合物結(jié)構(gòu)中的甲烷分子與水分子籠狀結(jié)構(gòu)存在耦合作用,共振

8、散射聲子。水合物結(jié)構(gòu)的晶格缺陷導(dǎo)致大量聲子散射。
　　⑹研究了水合物溶解體系和水合物/冰/水混合體系中水分子的微觀構(gòu)型。發(fā)現(xiàn)水合物溶解后,大部分水分子的氧原子保持與水合物(或冰)晶體結(jié)構(gòu)相近的排布構(gòu)型,而水分子的其他性質(zhì)則與常規(guī)液態(tài)水相近。推測溶解水中氧原子的排布構(gòu)型可能是導(dǎo)致水合物溶解水記憶效應(yīng)的原因之一。水合物/冰/水混合體系中,水分子的構(gòu)型表明,水合物內(nèi)部與冰/水混合體系中的水分子排布存在明顯差異,這種差異在水合物體系與冰/