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水合物抑制及储氢分子模拟研究

水合物抑制及储氢分子模拟研究

作者：颜克凤北京化工大学

学位级别：硕士

研究抑制水合物形成的机理对天然气储存和运输以及油气工业有着非常重要的意义，而分析一定条件下水合物—氢体系平衡时能量和稳定结构可以为水合物储氢研究提供理论支持。本文采用分子模拟的方法研究了天然气水合物抑制机理与抑制效果... 详细信息

研究抑制水合物形成的机理对天然气储存和运输以及油气工业有着非常重要的意义，而分析一定条件下水合物—氢体系平衡时能量和稳定结构可以为水合物储氢研究提供理论支持。本文采用分子模拟的方法研究了天然气水合物抑制机理与抑制效果以及水合物储氢的稳定结构和储氢能力。用分子动力学(MD)模拟方法确定了结构H型(SH)天然气水合物的稳定晶体生长面为(001)。系统研究了277 K时PVCap、PEO和PVP三种动力学抑制剂对此晶面的影响。模拟显示抑制剂中的氧与表面水分子形成氢键，从而破坏原有的稳定结构，造成水合物笼型结构坍塌，达到抑制水合物形成的效果。比较三种不同动力学抑制剂对SH水合物的抑制，得出抑制效果次序为：PVCap＞PEO＞PVP。在此基础上研究了PVCap对天然气水合物结构Ⅰ型(SⅠ)，结构Ⅱ型(SⅡ)和SH三种不同晶型的抑制效应。模拟发现抑制效果的次序为：SH＞SⅠ＞SⅡ。通过MD模拟研究了不同覆盖率下PVCap对SH水合物抑制效应。模拟从微观角度研究了PVCap在不同覆盖率下的运动状况，得出不同覆盖率下的抑制效果为：50％＞25％＞75％＞100％。即覆盖率为50％时动力学抑制剂的抑制效果最好。通过对SⅠ和SH氢气水合物的模拟，找到了氢气形成水合物较

关键词：气体水合物分子模拟抑制剂稳定晶面储氢

储氢笼型水合物生成促进机理的分子动力学模拟研究

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物理学报 2011年第12期60卷 640-647页

作者：颜克凤李小森孙丽华陈朝阳夏志明中国科学院广州能源研究所中国科学院广州天然气水合物研究中心中国科学院可再生能源与天然气水合物重点实验室广州510640 中国科学院研究生院北京100049 呼伦贝尔职业技术学院呼伦贝尔021008

用分子动力学(MD)模拟方法研究水合物法储氢的促进机理,系统研究纯H2水合物、H2+四氢呋喃(THF)水合物、H2+四丁基溴化铵(TBAB)半笼型水合物和H2+四异戊基溴化铵(TiAAB)半笼型水合物的微观结构及性质.模拟分析客体与笼子之间的稳定能ΔE... 详细信息

用分子动力学(MD)模拟方法研究水合物法储氢的促进机理,系统研究纯H2水合物、H2+四氢呋喃(THF)水合物、H2+四丁基溴化铵(TBAB)半笼型水合物和H2+四异戊基溴化铵(TiAAB)半笼型水合物的微观结构及性质.模拟分析客体与笼子之间的稳定能ΔEGH,得出水合物中大笼子对稳定水合物起到主要作用.THF进入大笼子能促进H2水合物稳定,降低H2水合物形成压力,模拟结果与实验一致.模拟对比不同客体在大笼子中的ΔEGH值,得出从小到大的顺序依次为TiAAB,TBAB,THF,H2.模拟结果表明半笼型水合物的稳定性比结构Ⅱ型水合物强,同时得出H2+TiAAB半笼型水合物的结构最稳定.MD模拟为TiAAB成为一种水合物新型促进剂和新型储氢材料提供了理论依据.

关键词： H2笼型水合物分子动力学模拟储氢半笼型水合物

四丁基溴化铵水合物浆液浓度电导率法在线测定

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化工进展 2017年第6期36卷 2038-2044页

作者：方洁李小森陈朝阳张郁夏志明颜克凤中国科学院广州能源研究所中国科学院天然气水合物重点实验室中国科学院广州天然气水合物研究中心广东广州510640 中国科学技术大学纳米学院江苏苏州215123

四丁基溴化铵(TBAB)水合物浆液浓度快速测定对TBAB水合物形成分解动力学研究和水合物浆液生产过程控制具有重要作用。通过在线电导率测定,本文研究了温度、TBAB浓度、TBAB水合物固含量对TBAB水合物浆液电导率的影响,建立了电导率法快速... 详细信息

四丁基溴化铵(TBAB)水合物浆液浓度快速测定对TBAB水合物形成分解动力学研究和水合物浆液生产过程控制具有重要作用。通过在线电导率测定,本文研究了温度、TBAB浓度、TBAB水合物固含量对TBAB水合物浆液电导率的影响,建立了电导率法快速测定TBAB水合物浆液中溶液浓度及TBAB水合物固含量的方法,并提出了一种工业TBAB水合物浆液制备过程中溶液浓度和水合物固含量在线取样定量测量方案。研究结果表明:TBAB溶液电导率随溶液温度升高线性增大,随TBAB水合物固含量的增大而减小;TBAB解离度随浓度增大而减小,低浓度时(摩尔分数<0.54%),溶液电导率随浓度增大线性增加,高浓度时,因TBAB解离度显著减小,溶液电导率增长缓慢,出现一个最高值;实验所得的TBAB水合物浆液固含量和TBAB溶液浓度计算经验公式,与实际浓度之间最大相对误差约9.0%,结果较可靠。

关键词：水合物结晶电导率固含量电解质溶液浓度

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过氧化氢水合物稳定性分子动力学模拟研究

武汉理工大学学报 2011年第5期33卷 27-32页

作者：颜克凤万丽华李小森中国科学院可再生能源与天然气水合物重点实验室中国科学院广州能源研究所广州510640 中国科学院研究生院北京100049

采用分子动力学模拟方法研究过氧化氢(Hydrogen Peroxide,HP)作为客体分子形成结构Ⅰ型(SI)水合物稳定性。系统分析了不同数目的HP填充到SI笼子中形成水合物晶体稳定机理。模拟表明,无辅助气体下,HP不能形成稳定的SI水合物。添加甲烷辅... 详细信息

采用分子动力学模拟方法研究过氧化氢(Hydrogen Peroxide,HP)作为客体分子形成结构Ⅰ型(SI)水合物稳定性。系统分析了不同数目的HP填充到SI笼子中形成水合物晶体稳定机理。模拟表明,无辅助气体下,HP不能形成稳定的SI水合物。添加甲烷辅助气体对水合物形成具有稳定作用,随辅助气体的增加水合物笼状结构破坏缓慢。在添加1个HP到SI大胞腔中,其它胞腔填充辅助气体情况下,能形成稳定SI水合物。研究表明HP作为促进水合物分解的化学试剂与醇类具有相似性质,仅在低浓度下可以形成稳定水合物,为HP溶液促进甲烷水合物分解实验研究提供参考。

关键词：水合物过氧化氢分子动力学模拟

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盐离子对蒙脱石水化膨胀特性的影响

过程工程学报 2020年第10期20卷 1182-1189页

作者：陶源清颜克凤李小森陈浩中国科学院天然气水合物重点实验室中国科学院广州能源研究所广东广州510640 广东省新能源和可再生能源研究开发与应用重点实验室广东广州510640 中国科学院广州天然气水合物研究中心广东广州510640 中国科学院大学北京100049

采用热失重法与经离心法、直接烘干法、冷冻干燥法结合对蒙脱石样品水含量进行测量,分析了NaCl浓度对蒙脱石中结合水与自由水含量的影响,探讨了蒙脱石中总含水量及结合水含量随NaCl溶液浓度变化的规律,研究了NaCl溶液中蒙脱石的水化膨... 详细信息

采用热失重法与经离心法、直接烘干法、冷冻干燥法结合对蒙脱石样品水含量进行测量,分析了NaCl浓度对蒙脱石中结合水与自由水含量的影响,探讨了蒙脱石中总含水量及结合水含量随NaCl溶液浓度变化的规律,研究了NaCl溶液中蒙脱石的水化膨胀特性及盐离子的抑制作用。结果表明,蒙脱石的水化膨胀受盐离子的抑制,盐离子的存在减小了渗透水化力,影响了水分子间的范德华力及水分子和蒙脱石表面间的氢键力和静电引力,总含水量随盐离子浓度增加而降低,盐离子浓度为0.2 mol/L时趋近最低值,样品膨胀程度由6.6缩小至1.6,盐离子对蒙脱石水化膨胀的抑制作用达峰值。盐离子浓度大于0.2 mol/L时,随盐离子浓度增加,自由水与结合水含量变化不明显。

关键词：多孔介质盐溶液水含量天然气水合物

整体煤气化联合循环合成气水合物法分离CO_2的分子动力学模拟

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物理学报 2010年第6期59卷 4313-4321页

作者：颜克凤李小森 陈朝阳徐纯钢中国科学院广州能源研究所中国科学院可再生能源与天然气水合物重点实验室广州510640 中国科学院广州天然气水合物研究中心广州510640

利用分子动力学(MD)模拟方法研究整体煤气化联合循环(IGCC)合成气(CO2/H2)水合物法分离CO2的分离机理,系统研究了CO2水合物、H2水合物以及合成气水合物法一级分离所得CO2/H2混合气体水合物的微观结构及性质.模拟分析n个CO2或H2与水合物... 详细信息

利用分子动力学(MD)模拟方法研究整体煤气化联合循环(IGCC)合成气(CO2/H2)水合物法分离CO2的分离机理,系统研究了CO2水合物、H2水合物以及合成气水合物法一级分离所得CO2/H2混合气体水合物的微观结构及性质.模拟分析n个CO2或H2与水合物笼状结构的整体结合能ΔEn,得出CO2比H2与笼状结构结合更稳定,易形成水合物.因此,CO2/H2混合气体中CO2更易进入水合物中,从而达到IGCC合成气中CO2分离效果.模拟分析气体水合物(GH)中CO2,H2与单胞腔的结合能ΔEGH,得出采用合成气水合物法分离CO2形成结构Ⅰ型(SⅠ)水合物,CO2首先占据大胞腔,其次占据小胞腔,H2只能占据小胞腔.同时模拟温度为273.7K和压力为8.5MPa条件下一级分离所得CO2/H2混合气体水合物构象,分析H2单占据和双占据SⅠ水合物小胞腔的ΔEn和ΔEGH,结果表明H2单占据稳定.通过MD模拟得出一级分离稳定水合物构象,为IGCC合成气水合物法分离CO2提供了理论指导.

关键词：水合物法分离分子动力学模拟整体煤气化联合循环合成气 CO2分离

TBAB和CP双添加剂水合物法分离烟气中的CO_2

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化工进展 2012年第7期31卷 1442-1448,1457页

作者：詹昊徐纯刚李小森颜克凤中国科学院广州能源研究所天然气水合物开采及综合利用实验室中国科学院可再生能源与天然气水合物重点实验室广东广州510640 中国科学院研究生院北京100049

在四正丁基溴化铵(TBAB)和环戊烷(CP)双添加剂体系下进行了一级水合物法分离烟气中CO2的研究。对比了纯体系和双添加剂体系对水合物生成过程及分离效果的影响。获得了合适的操作条件(温度276.15 K,压力2.0～3.3 MPa)、初始液气比(0.78)... 详细信息

在四正丁基溴化铵(TBAB)和环戊烷(CP)双添加剂体系下进行了一级水合物法分离烟气中CO2的研究。对比了纯体系和双添加剂体系对水合物生成过程及分离效果的影响。获得了合适的操作条件(温度276.15 K,压力2.0～3.3 MPa)、初始液气比(0.78)、添加剂浓度(CP体积分数为0.6%)。在合适条件下,双添加剂体系相比纯TBAB体系水合过程的载气量达至1.5～2.0倍,剩余气相中CO2摩尔分数由17%降至7%,去除率由40%～50%上升到60%～70%。实验表明,双添加剂体系在水合物法CO2分离技术的分离效果及节能方面存在潜力,为工业化水合物法净化烟气提供了参考和标准。

关键词： CO2分离水合物法四正丁基溴化铵环戊烷烟气分离效率

热力学抑制剂作用下甲烷水合物分解过程的分子动力学模拟

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物理化学学报 2009年第3期25卷 486-494页

作者：万丽华颜克凤李小森樊栓狮中国科学院广州能源研究所广州天然气水合物中心广州510640 中国科学院研究生院北京100049 中国科学院可再生能源与天然气水合物重点实验室广州510640 华南理工大学传热强化与过程节能教育部重点实验室广州510640

采用正则系综(NVT)分子动力学方法模拟研究277.0 K、11.45 mol.L-1的热力学抑制剂乙二醇(EG)溶液作用下甲烷水合物分解微观过程.模拟显示甲烷水合物的分解从甲烷水合物固体表面开始,逐渐向内部推移,固态水合物在分解过程中逐渐缩小,直... 详细信息

采用正则系综(NVT)分子动力学方法模拟研究277.0 K、11.45 mol.L-1的热力学抑制剂乙二醇(EG)溶液作用下甲烷水合物分解微观过程.模拟显示甲烷水合物的分解从甲烷水合物固体表面开始,逐渐向内部推移,固态水合物在分解过程中逐渐缩小,直至消失.固态水合物的分解从晶格扭曲变形开始,之后笼形框架结构破裂,最后形成笼形结构碎片.同时已经分解的甲烷水合物在外层形成水膜,包裹里层正在分解的甲烷水合物,增大里层甲烷水合物分解传质阻力.

关键词：甲烷水合物分子动力学乙二醇溶液分解

天然气水合物降压联合井壁加热开采的数值模拟

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化工学报 2015年第4期66卷 1544-1550页

作者：阮徐可李小森徐纯刚张郁颜克凤中国科学院广州天然气水合物研究中心、中国科学院广州能源研究所天然气水合物开采及综合利用实验室广东广州510640

降压法开采天然气水合物会受到储层传热的明显影响。降压联合井壁加热开采天然气水合物是将降压和热激两种方法综合使用,由此建立了天然气水合物降压联合井壁加热开采的数学模型,通过数值模拟手段对实验室尺度下的降压联合井壁加热法开... 详细信息

降压法开采天然气水合物会受到储层传热的明显影响。降压联合井壁加热开采天然气水合物是将降压和热激两种方法综合使用,由此建立了天然气水合物降压联合井壁加热开采的数学模型,通过数值模拟手段对实验室尺度下的降压联合井壁加热法开采天然气水合物进行了模拟研究。模型得到了实验数据的较好验证。进一步的模拟结果表明:井壁加热能够给区域内提供热量并有效提高温度,有助于改善天然气水合物的产气,降压联合井壁加热开采方式下的产气优于纯降压开采情形。但同时由于传热方向和导热等限制,井壁加热的作用范围和对产气率的提高有限。不同井壁加热温度下的产气率变化较小,对产气率的影响几乎可以忽略。此外,联合开采方式下边界传热对天然气水合物的产气影响较大,可能影响此方法在低地热梯度环境下实际储藏的开采使用。

关键词：天然气水合物降压加热模型数值模拟实验验证