二氧化碳-甲烷混合气体水合物四相区实验研究

以水合物的形式封存CO₂和置换海底的天然气（CH₄）水合物需要对CO₂-CH₄混合水合物的四相平衡状态及数据有清楚的了解。本文通过实验和模型计算对不同组分的CO₂-CH₄混合水合物的较高四相区（Q2）相平衡进行了测定和表述。实验温度范围为273.16～297 15 K,压力范围分为0～10 MPa。四相区的温度压力范围分别是283.51到287.04 K和4.74到8.37 MPa,甲烷的摩尔组份为0～0.225。结果揭示了相平衡温度和压力随着甲烷组分而变化情况以及四相区的范围和临界点,同时还给出了CO₂-CH₄混合气体水合物在四相状态下的融化开始和融化结束点。实验结果与热力学模型计算得出的CO₂-CH₄混合气体水合物相平衡结果进行比较,两者很好吻合,四相平衡区域的存在范围得以明确。     

不同驱动力下瓦斯水合物生长过程Raman光谱特征

基于煤矿瓦斯(CH₄∶C₂H₆∶N₂=67.5∶22.5∶10)水合物相平衡曲线开展四种驱动力ΔP水合动力学实验,利用可见显微Raman光谱仪获取水合物生长过程光谱图,根据水合物相中C₂H₆ C-C键伸缩振动特征峰Raman位移确定了4组实验中水合物为sⅡ结构。基于van der Waals与Platteeuw模型获取瓦斯水合物生成过程中水合物相气体组分及水合指数变化规律。研究表明： 驱动力的大小影响水合物的稳定性,随着驱动力的增加,CH₄相比C₂H₆逐渐占据更多的孔穴结构,CH₄在水合物相内比例增加,水合物稳定性越强;瓦斯中N₂,CH₄和C₂H₆进入水合物孔穴优先级可以通过分子与水合物孔穴的直径比进行确定,分析认为在sⅡ水合物结构中小孔穴CH₄优先级最高,大孔穴C₂H₆最高;基于瓦斯水合物稳定性,对水合物生长过程客体分子的物质传递规律进行描述,为瓦斯水合物的微观生长提供理论基础。     

储氢笼型水合物生成促进机理的分子动力学模拟研究

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_GH,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ΔE_GH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： 2笼型水合物')" href="#">H₂笼型水合物 分子动力学模拟 储氢 半笼型水合物     

CO2在气体水合物结构特性的固体核磁共振波谱与拉曼光谱实验研究

天然气水合物是蕴含着巨大能源潜力的非常规能源,2017年和2020年两次我国南海探索性试采的成功,加快了天然气水合物项目的进展。二氧化碳置换开采法,既能开发CH₄,又能封存CO₂。同时水合物法分离烟气中CO₂具有很好的应用前景,而CO₂在气体水合物的微观结构和特性尚不明确,实际应用存在一定的未知影响。为了考察其特性,利用13C固体核磁技术（NMR）和拉曼光谱（Raman）进行CO₂置换CH₄水合物、合成13CO₂-H₂-CP混合水合物实验表征,讨论CO₂在水合物中的定量问题,研究CO₂分子在笼型结构中的分布,探讨CO₂分子在气体水合物中的结构类型和特性。结果表明：（1）利用Raman费米低频共振1 277.5 cm-1峰积分得到CO₂在I型大笼（51262笼）的占有率为0.978 2,CH₄在Ⅰ型小笼（512笼）和大笼（51262笼）的占有率为0.059 3和0.009 5,水合数7.61,Raman费米高频共振1 381.3 m-1峰积分得到CO₂在51262笼的占有率为0.984 3,CH₄在512笼和51262笼的占有率为0.023 7和0.003 3,水合数7.70,CO₂几乎占满了大笼,CO₂气体的加入会导致水合物中,CH₄的大、小笼占有率均大幅度降低,置换后水合数略低于纯甲烷水合物,未标记的CO₂水合物在核磁中较难测出信号,CO₂气体置换后CH₄在小笼的占有率仅0.097 5,大笼占有率为0.317 2,两种方法差异主要原因为核磁的CO₂未出峰。（2）利用拉曼费米低频共振1 273.4 cm-1峰积分得到H₂、CO₂在512笼、CP在51262的占有率分别为0.124 8,0.304 2和0.997 8,水合数9.16;Raman费米高频共振1 380.6 cm-1峰积分得到H₂、CO₂在512笼、CP在51262的占有率分别为0.123 6,0.577 1和0.985 1,水合数7.12。13C标记CO₂分子在水合物中达到较好的固体核磁分辨率,首次确认CO₂在Ⅱ型小笼中的化学位移为124.8 ppm,计算得到CO₂的小笼占有率为0.783 1,CP的大笼占有率为0.971 8,水合数6.70,Raman高频频费米共振峰（1 380.6 cm-1）定量计算与13C NMR结果更接近。（3）对CO₂的13C NMR化学位移进行了归属,并结合Raman与13C NMR的对比分析,为CO₂水合物的13C NMR研究和拉曼定量提供参考。     

超临界二氧化碳和模型共聚物的相平衡和成核性质研究

在Weeks-Chandler-Andersen （WCA）微扰理论的基础上,建立了一个状态方程,研究了温度和压力以及模型共聚物分子链长对体系相平衡和临界胶束浓度的影响. 关键词： 超临界二氧化碳 模型共聚物 相平衡 临界胶束浓度     

水合物法低温封存CO2技术及生成动力学研究进展

基于气体水合物技术低温封存CO₂是目前最具前景的CO₂封存技术之一,该技术对于实现国家双碳战略目标具有积极意义。通过介绍典型水合物结构的详细信息,从水合物法封存CO₂技术、纯水与多孔介质体系CO₂水合物生成动力学方面进行详细综述,分析了水合物生成过程中诱导时间、生成速率、水合物饱和度等参数的规律,以及CO₂水合物生成机理和生成动力学特性实验研究进展。提出了现阶段CO₂水合物生成动力学研究的关键问题应从考虑CO₂水合物生成空间差异性等方面进行突破的建议。研究结论可以为水合物法封存CO₂技术的工程应用提供理论指导和技术支持。     

整体煤气化联合循环合成气水合物法分离CO2的分子动力学模拟

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ΔE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 2分离')" href="#">CO₂分离     

基于PC-SAFT的CO2混合工质相平衡计算

统计缔合流体理论(PC-SAFT)能够应用于CO₂动力循环中CO₂混合工质物性的预测。PC-SAFT状态方程在计算CO₂混合工质气液相平衡时,其收敛性较差。本文介绍一种利用基于基团贡献法的蒸气压估算方法为PC-SAFT状态方程提供初值,从基团角度来预测CO₂混合工质气液平衡的方法。该方法在很多情况下的准确度高于Refprop 9.0计算结果,尤其在较高的CO₂比例下。对于温度滑移较大的CO₂混合工质计算中,该方法不会计算出Refprop 9.0中不平滑的尖点,避免了在一些情况下出现反常的计算结果,是一种稳定可靠的计算方法。     

纳米流体中气体水合物生成条件

为了研究纳米粒子对制冷剂水合物热力学生成条件的影响,建立了新型纳米流体中制冷剂水合物相平衡热力学模型,理论研究了HFC134a(R134a)气体水合物的热力学生成条件,并用实验验证了模拟结果.结果表明:新型纳米流体中制冷剂水合物热力学相平衡模型能够较好地反映纳米流体中制冷剂气体水合物相平衡特征,相同温度下相平衡最大相对误差为7.3%,平均相对误差为5.3%.     

含乙二醇水合物形成条件理论与实验研究

利用可视化高压流体测试装置在0.78～5.17 MPa压力范围内测定了乙二醇水溶液中合成天然气（甲烷、乙烷和丙烷的混合物）水合物的形成条件。根据vanderWaals-Platteeuw的理想溶液等温吸附理论和Moshfeghian-Maddocd的数学模型,给出了含抑制剂体系气体水合物相平衡计算数学模型。计算结果表明该模型可较好地预测含抑制剂（乙二醇）体系的水合物形成条件。     

注气驱替煤层气数值模拟

建立一种注气驱替煤层气的双重介质数学模型,考虑注气驱替煤层气中多组分气体渗流、吸附/解吸、扩散及孔隙度和渗透率敏感性等多物理场的耦合,用有限差分方法对数学模型数值求解,并验证模型的有效性.通过实例模拟,对比分析注入CO₂、N₂和70%N₂+30%CO₂提高采收率、产出组分动态及储层物性.计算表明:注入CO₂、N₂及其混合气体均能显著提高煤层气藏采收率,提高程度可达28%以上;N₂在注入后迅速突破产出,而CO₂突破时间较晚;注气后基质的收缩/膨胀效应在孔隙度和渗透率敏感性中起主导作用,CO₂吸附造成孔隙度和渗透率减小,而N₂吸附将增大孔隙度和渗透率.     

TBAB‐CO2水合物形成过程的微观实验

四丁基溴化铵（TBAB）半笼型水合物在二氧化碳（CO₂）捕集和封存技术中具有巨大的发展与应用潜力。由于晶体结构的复杂性,TBAB半笼型水合物的动力学过程尚未得到充分的研究。为了解TBAB半笼型水合物在储气方面的动力学特性,实验采用原位激光拉曼技术和多晶粉末X射线衍射仪（PXRD）对nCO₂·TBAB·26H₂O和nCO₂·TBAB·38H₂O水合物的光谱特征进行了鉴别与分析,利用原位激光拉曼技术考察了CO₂分子分别进入2种晶体结构的动力学过程。研究结果表明,2种晶体结构的拉曼光谱具有较高的相似性,值得注意的是nCO₂·TBAB·26H₂O中位于1 309.5和1 326.9 cm-1的拉曼峰为TBA+阳离子中C-C键的变形振动峰,在nCO₂·TBAB·38H₂O水合物中峰基本不发生改变,但半峰宽降低,峰形也变得相对清晰;同时,nCO₂·TBAB·26H₂O中位于1 446.6和1 458 cm-1的拉曼峰为TBA+阳离子中C-H键的剪切振动峰,在nCO₂·TBAB·38H₂O水合物中分别向左、右两边发生了位移,峰形的重叠度也随之下降。依据上述2处拉曼光谱特征可以对2种晶体结构进行辨别。通过PXRD图谱可以发现2种晶体结构的衍射图谱存在着比较明显的差距。nCO₂·TBAB·26H₂O晶体属于四方晶系,空间群(P4/m),而nCO₂·TBAB·38H₂O属于正交晶系,空间群(Pmma)。图谱中2θ=8.406°和10.941°分别为nCO₂·TBAB·38H₂O的(200)和(220)晶面的特征峰,而2θ=5.976°和6.969°分别为nCO₂·TBAB·26H₂O的(012)和(003)晶面特征峰,可以用来判别样品中水合物的晶体结构。在原位拉曼测量过程中,nCO₂·TBAB·26H₂O和nCO₂·TBAB·38H₂O分别在已经合成好的TBAB·26H₂O和TBAB·38H₂O水合物表面形成。在276 K,2 MPa条件下,气相中的CO₂分子分别进入2种晶体结构中用于储气的512笼形结构,在1 275.4和1 379.3 cm-1处形成特征峰并逐渐增长。实验以2种TBAB水合物位于1 110.3 cm-1的拉曼峰作为参考,比较了CO₂在水合物中的增长速率。研究发现在反应初期的75 min内CO₂在2种水合物中的含量基本保持线性增长且上升速率的差别不大。由于测量点位于水合物表面,受气体在水合物中扩散的阻力较小同时2种TBAB水合物均采用512笼形结构储气导致了储气速率相近。以上的微观晶体结构研究结果对TBAB水合物法捕集和封存CO₂技术应用具有重要的意义。     

多孔介质水合物中储存二氧化碳的实验研究

为了研究多孔介质中CO₂水合物的生成速率和储气量,利用1.8 L的水合反应釜研究了孔隙为13.8 nm和26.7nm的石英砂中CO₂水合物的生成过程,结果表明:孔径为26.7 nm石英砂中,1 m³的石英砂可以储存64.4 m³标准状况的二氧化碳气体,平均生成速率为0.001703 mol/min;孔径为13.8 nm石英砂中,1 m³的石英砂可以储存118.8m³标准状况的二氧化碳气体,平均生成速率为0.001803 mol/min;在多孔介质孔径范围为13.8 nm至26.7 nm之间时,粒径越小,储气量越大。     

基于吸收光谱法的CO_(2)正压测量技术分析北大核心CSCD

为了研究可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术在气体检测过程中,正压条件下的相邻谱线影响问题,建立基于积分吸光度的压力测量模型。以CO_(2)为研究对象,在室温、高纯度条件下进行了范围为(1~2)atm的压力测量仿真和实验。实验结果显示:随着压力的增大,相邻吸收谱线相互影响程度加剧,吸光度曲线偏离零基线的程度加大;实验测量结果在1.25 atm处最大相对偏差为4.94%,在2.00 atm处最小相对偏差为0.73%,平均相对偏差为3%。     

CO2及其碳同位素比值高精度检测研究

改进了一种基于傅里叶变换红外光谱法测量CO₂气体的装置, 改进后的装置能够提高CO₂检测精度, 并能同时测量CO₂碳同位素比值. 研究了温度和压力对CO₂浓度值和CO₂碳同位素比值测量的影响规律. 利用该装置连续测量了标准CO₂气体和环境大气, 对标准CO₂气体测量得到的CO₂浓度值及其碳同位素比值进行温度和压力影响修正, 获得了较好的精度和准确度. 关键词： 光谱学 同位素比值 傅里叶变换红外光谱 二氧化碳     

激光拉曼光谱法测定天然气组成标准研究

进行了天然气组成分析-激光拉曼光谱法标准化研究,探讨了激光拉曼天然气组成分析方法标准化的可行性。采用激光拉曼光谱进行天然气组成分析,无需将天然气中各组分分离便可实现多组分同步检测,减少分析时长,提高测量的实时性,实现快速分析,通过国内外激光拉曼天然气分析方法和标准的研究和实验,掌握了国内外激光拉曼天然气分析方法技术现状及发展方向,积累了激光拉曼天然气分析试验数据,结果表明激光拉曼天然气分析具有可快速检测(10 s)、连续记录和操作简单的优点,适用于天然气录井、井站、集气站原料气气质分析和天然气净化处理中过程控制中实时快速获取气质数据,建议制定激光拉曼光谱天然气分析方法标准,测量组分为CO₂,N₂,H₂S,CH₄,C₂H₆,C₃H₈,测量范围分别为：CH₄：75%~99.9%,C₂H₆：0.005%~20%,C₃H₈：0.005%~10%,H₂S：0.001 5%~10%,N₂：0.02%~10%,CO₂：0.01%~10%(上述浓度均为摩尔分数),为上游领域天然气勘探开发及过程控制服务。     

CS2燃烧火焰光谱辐射模型的构建与特征污染产物浓度反演研究

CS₂在当今化工等领域占据了重要地位,而CS₂火灾污染事故危害性极大。通过研究CS₂燃烧火焰光谱辐射以探究其火灾污染特性极为必要。搭建了CS₂燃烧火焰光谱测试平台,采用黑体辐射源对VSR仪器进行了标定,通过多用途傅里叶变换(VSR)红外光谱辐射仪测试了5,10和20 cm三种燃烧尺度下CS₂燃烧的火焰光谱,并通过热电偶测试了整个燃烧时间段内不同燃烧时刻下的火焰温度,以及在火焰上方安装了烟气分析仪对火焰中的燃烧产物浓度进行监测。测量了CS₂整个燃烧时间段内火焰温度,以及不同燃烧时间、不同燃烧尺度下的火焰光谱、燃烧产物组分信息。测试结果表明,CS₂火焰中主要含有高温SO₂,CO₂,CO气体和空气中卷入的H₂O分子,并获取了特征污染产物SO₂的浓度。由于现有光谱仪测量分辨率有限,室内实验测量的火焰尺度有限,为了能实现火灾在线监测需要建立一个火焰光谱辐射模型来反演CS₂火灾时的污染物浓度相关信息。基于HITRAN数据库可知在2.7 μm附近为高温水蒸气的发射峰,4.2 μm附近特征峰为高温CO₂气体的发射峰,4.7 μm附近有CO微弱的发射峰,在7.4 μm附近特征峰为高温SO₂气体的发射峰,并获得了CS₂燃烧时产生的SO₂,CO₂,CO和H₂O气体在火焰燃烧相同温度下的吸收系数,通过计算得到了CS₂燃烧时产生的SO₂,CO₂,CO和H₂O混合气体的透过率与发射率,并结合气体辐射传输方程、气体吸收系数等方程,创建了CS₂燃烧的火焰光谱辐射模型。利用该光谱辐射模型反演了不同燃烧时间下特征污染产物SO₂的浓度,并与实验测得的数据进行了对比分析。结果表明,该模型精度高,可用于燃烧产物浓度的定量化反演,SO₂分子含量在燃烧时间20,40,60和80 s时的反演精度分别是89.5%,82.5%,85.6%和86.5%。为遥感反演CS₂型大尺度火灾中燃烧产物的浓度奠定基础。     

沸石类咪唑骨架材料吸附分离天然气的分子模拟

采用巨正则蒙特卡洛方法研究C₂H₆, CO₂和CH₄三种气体在两种沸石类咪唑骨架材料 (ZIF)-ZIF-2和ZIF-71中的吸附与分离性能. 考察了C₂H₆, CO₂和CH₄三种气体在ZIF-2和ZIF-71中的单组分吸附等温线、吸附热; C₂H₆-CH₄, CO₂-CH₄ 与C₂H₆-CO₂等摩尔二元混合物的分离; 以及C₂H₆-CO₂-CH₄三元体系的分离性能. 研究结果表明: 低压下不同气体的吸附量大小与其吸附热关系紧密; 而高压下因有限的孔空间, 尺寸较小的气体分子吸附量增长趋向更快; 多组分吸附分离中, 低压下能量效应通常占据主导, ZIF优先吸附作用力较强的组分; 高压下堆积效应影响显著, ZIF会优先吸附尺寸较小的组分. ZIF-2和ZIF-71对这3种二元体系的分离性能良好. 对于三元混合物吸附分离, 在常温下3000-4000kPa范围内, ZIF-2具有良好的天然气净化性能, 可有效地分离出天然气中的C₂H₆和CO₂. 关键词： 巨正则蒙特卡洛模拟 天然气分离 沸石类咪唑骨架