天然气开采利用中若干热物理基础问题的分子动力学研究

摘要

在天然气的开采、加工、储运过程中,存在诸多与热物理相关的问题亟需解决。例如:预测地壳中高温高压条件下,天然气流体的相行为特征;天然气中的杂质随环境改变,析出沉积在管道表面,造成设备堵塞及腐蚀问题;天然气在多孔介质中的表面特性;天然气水合物的热物理性质及其界面特性等。由于实验条件和理论基础受温度,压力,天然气分子种类等因素的限制,使得通过常规手段(宏观实验和理论分析)研究上述问题存在很大局限性。本文采用分子动力学方法,研究了天然气开采利用中的若干热物理基础问题。建立分子动力学研究天然气固体杂质溶解模型;模拟了元素硫在S/H2S体系中的核化生长过程;揭示了流体分子在纳米通道中与固体表面粒子作用的微观机理;并对甲烷水合物导热问题及水合物体系中水分子的微观构型进行了讨论。主要研究内容及结论如下：
　　⑴基于分子动力学方法,建立了两种固体溶解模型,并分别对CO2在低温CH4中以及硫在H2S中的溶解机理进行了讨论。结果表明,提出的固液溶解模型,可以准确计算CO2在150 K以下CH4中的溶解度。而H2S溶解模型研究结果表明,H2S溶剂化层模型可以得出硫在H2S中的溶解趋势。由于没有考虑到化学溶解作用,计算结果小于实验值。
　　⑵应用化学反应势函数首次研究了硫在硫/硫化氢混合体系中的核化生长过程。得出元素硫沉积初期生长规律,发现硫核化生长的两种方式:雪球效应和硫团簇融合。核化初期,硫团簇以雪球效应生长方式为主。团簇生长超过相应的临界状态后,两种生长方式共同作用,加快硫团簇生长速率。在整个过程中,硫的聚合物(同素异形体)对整个核化过程以及H2S的分解起催化作用。
　　⑶建立了流体分子在纳米通道中的作用模型,探讨流体分子在固体表面粒子影响下热物理相关性质的变化。研究了金红石型TiO2(110)纳米通道对CH4/H2S混合流体的吸附分离效果,结果表明TiO2纳米通道表面上吸附的CH4数量要多于H2S,但 TiO2纳米通道对H2S的选择性较高。在吸附过程中施加电场,可以提高TiO2纳米通道对H2S的分离能力。CO2/N2混合流体在纳米通道中,固体表面对CO2的吸附能力强于对N2的吸附能力。当CO2浓度较高时,CO2在纳米通道表面上多层吸附,提高吸附效率。当 CO2浓度较低时,CO2在固体壁面呈单层吸附,小孔径纳米通道有利于CO2的吸附。石墨壁面对CO2/N2混合流体具有强烈的分离作用,但在小孔径纳米通道中受到两壁面的共同吸引作用,分离效果反而降低。
　　⑷研究了流体在不同晶面结构纳米通道中的吸附和导热性能,发现纳米通道内流体的导热性能受固体表面结构和温度共同影响。基于固体表面晶胞基本参数,定义了一个比值参数R,用于表征固体表面结构对流体相关性质的影响。固体表面材料 R的增大将导致固体表面对流体吸附作用增强,固体表面上吸附的流体粒子增多,相应纳米通道中流体粒子的热导率也有所提高。这些现象在低温时表现明显,随温度升高逐渐减弱。流体与固体接触面存在界面热阻,限制固体表面粒子与流体粒子的能量传递。当体系温度较低时,界面热阻对固体表面粒子与流体粒子间的传热起主导作用,明显降低流体的热导率。随温度升高,流体粒子与固体表面粒子相互作用剧烈,克服界面热阻的影响,流体热导率增强。
　　⑸讨论了多种I型甲烷水合物结构在高压下的导热性能,结果表明不同水合物结构中水分子的排布构型几乎相同,热导率各不相同。模拟中,空穴水合物结构的导热性能最好,晶格缺陷水合物结构的导热性能最差。进一步分析表明,高压可以促进水分子和甲烷分子的导热性能。高温能促进甲烷分子的导热性能,但会降低水分子的导热性能。水合物结构中的甲烷分子与水分子笼状结构存在耦合作用,共振散射声子。水合物结构的晶格缺陷导致大量声子散射。
　　⑹研究了水合物溶解体系和水合物/冰/水混合体系中水分子的微观构型。发现水合物溶解后,大部分水分子的氧原子保持与水合物(或冰)晶体结构相近的排布构型,而水分子的其他性质则与常规液态水相近。推测溶解水中氧原子的排布构型可能是导致水合物溶解水记忆效应的原因之一。水合物/冰/水混合体系中,水分子的构型表明,水合物内部与冰/水混合体系中的水分子排布存在明显差异,这种差异在水合物体系与冰/水混合体系的界面连续变化。