页岩气在蒙脱石结构中吸附特性的研究

发布时间：2020-05-15 11:17

【摘要】：由于短缺的常规天然气资源很难满足日益增长的能源需求,页岩气的开发成为了世界能源新的焦点。甲烷是页岩气最主要的组成成分,常以吸附态为主要形式赋存于页岩石中。页岩石的主要成分为无机粘土矿物,包括蒙脱石、伊利石和高岭石等,其中蒙脱石对甲烷的吸附性能最强。为了了解甲烷在蒙脱石中的吸附机理,本文采用了分子力学和蒙特卡洛方法,通过改变温度、压力、孔隙间距等条件,研究了甲烷在蒙脱石结构中的吸附特性。主要内容如下:(1)应用分子力学方法构建了甲烷分子、二氧化碳分子和蒙脱石结构的模型并进行了优化,使得吸附系统中吸附质和吸附剂的能量达到最低,吸附过程最稳定。(2)应用蒙特卡洛方法研究了甲烷在蒙脱石内部结构中的吸附特性,内部结构分为微孔级和介孔级两类。结果表明,甲烷的吸附量随着温度的升高而减小,随着层面间距的增加而增大。当层面间距为10?左右时,甲烷吸附层由单层吸附变为双层吸附。在相同条件下,微孔级结构中甲烷的吸附效率约为介孔级结构的2.5倍。(3)应用蒙特卡洛方法研究了甲烷在蒙脱石孔隙结构中的吸附特性,孔隙结构分为裂缝孔、三角孔和方形孔三种。结果表明,甲烷吸附量的变化趋势与蒙脱石内部结构大体相同。在相同条件下,甲烷的吸附效率大小关系为:裂缝孔三角孔方形孔。进一步验证得知,孔隙形状越接近圆形,甲烷的吸附效率越高。(4)应用蒙特卡洛方法研究了甲烷和二氧化碳在蒙脱石孔隙结构中的混合吸附特性。结果表明,甲烷的吸附量随温度的升高而明显减小,而二氧化碳的吸附量则几乎不受温度变化的影响。在相同条件下,单一吸附模拟中甲烷的吸附量是混合模拟的2.5倍左右,即混合吸附中二氧化碳对甲烷的吸附有一定的抑制作用。
【图文】：

第 1 章 绪论附特性的结构模型[24-26]。1.2 国内外研究现状由于近年来页岩气的勘探和开采发展迅速，关于页岩气的主要成分——甲烷的吸附研究也逐渐增多。2014 年，KeFeng Yan 等人[27]运用分子动力学方法研究了甲烷水合物在蒙脱石结构中的嵌入行为，研究表明水分子会使蒙脱石内部结构发生膨胀，层面间距增大，甲烷水合物与蒙脱石表面分子的相互作用比较复杂，，且水分子对甲烷分子的吸附有一定的抑制作用（如图 1.1）。

图 1.2 CH4吸附等温线和扩散系数随温度变化示意图Fig. 1.2 Adsorption isotherms and diffusion coefficients of methane at different temperatures2015 年，Aman Sharma 等人[29]研究了甲烷和乙烷在蒙脱石内部结构中吸附行为，研究表明当温度为 298.15 K 时，甲烷和乙烷的在蒙脱石内部结构中的吸附等温线符合朗格缪尔等温线，甲烷和乙烷的吸附量均随蒙脱石层面间距的增加而增大（如图 1.3）。
【学位授予单位】：中国石油大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TE37

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