天然气水合物抑制剂协同作用的分子动力学模拟

发布时间：2020-10-28 18:30

　　 作为一种潜在的未来新型能源，天然气水合物受到了国内外的广泛关注。而在油气生产、加工和运输过程中形成的水合物容易引起管道堵塞；在开采天然气水合物过程中，需要促使天然气和水分离。解决这些问题均涉及天然气水合物抑制剂。 本文对两种天然气水合物（sI型甲烷水合物和sII型丙烷和甲烷水合物）模型进行了研究。采用分子动力学模拟能够从微观上探究水合物和抑制剂之间的相互作用及抑制机理。针对减少热力学水合物抑制剂的用量从而降低成本方面，研究了两类抑制剂之间的协同抑制作用。本文选取了三种抑制剂，即热力学抑制剂（丙三醇）和动力学抑制剂（聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和聚乙烯己内酰胺（PVCap））。通过蒙脱卡罗、量子力学以及分子动力学计算方法，本文对协同抑制剂在两种水合物构型中的分解性能进行探究，并得到以下结果： 在较低压强条件下，温度变化对甲烷分子在笼形水合物中的吸附十分敏感；而在较高压强条件下，温度对其吸附的影响则不明显。甲烷分子在笼形水合物中的吸附为物理吸附。天然气水合物的形成很可能是水分子在适宜温度压强条件下（低温、高压），首先以氢键形式结合成笼形结构，天然气分子再通过吸附作用进入笼形结构的过程；在保持体积一定的前提下，水合物的温度只有在253273K范围内时，甲烷水合物中甲烷分子更容易从水合物笼状结构里分解出来并形成超冷水构型。该结果与前人实验得到的光学数据完全符合。随着温度升高，甲烷水合物的扩散并非呈现线性增加趋势，而是出现了轻微的波动；在5atm压强条件下，当温度在193K213K范围内时，水合物基本不分解。然而，随着温度升高，笼形水合物构型逐渐被破坏直至坍塌瓦解，这致使天然气分子逐渐从水合物中扩散出来。温度越高对分离天然气和水越有利。 由于PVP分子作为一种表面活性剂和动力学水合物抑制剂对液固界面具有吸引力，它能够很容易吸附到水合物表面，从而抑制水合物的成核。丙三醇分子中含有三个羟基能够与水合物或液相中的水分子形成新的氢键，这抑制水分子参与形成水合物。抑制机理主要是抑制剂分子键合到水合物晶体表面，从而抑制进一步的生长和结晶过程。 通过分子动力学模拟，得到丙三醇和PVP混合溶液存在较好的协同动力学抑制作用。在sI型甲烷水合物加入浓度为40wt%的丙三醇和浓度为1.39wt%的PVP体系中，通过减缓水合物晶体的生长过程，水合物风险能够得到治理。通过降低丙三醇水合物抑制剂的注射用量和浓度从而实现节约成本，水合物堵塞管道的问题也得以解决。 当sII型丙烷和甲烷水合物中加入浓度为30wt%的丙三醇和浓度为1.71wt%的PVCap溶液时，其协同抑制作用最为明显。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TE83;O641.3
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 天然气水合物的概述
        1.1.1 概念
        1.1.2 结构形态
    1.2 天然气水合物的研究背景
        1.2.1 研究意义
        1.2.2 潜在危害
        1.2.3 国际上天然气水合物研究进程
        1.2.4 我国天然气水合物研究进程
        1.2.5 选题依据
    1.3 水合物抑制剂
        1.3.1 热力学抑制剂
        1.3.2 动力学抑制剂
        1.3.3 防聚剂
    1.4 分子模拟简介及应用
        1.4.1 理论基础
        1.4.2 蒙托卡罗和量子力学方法
        1.4.3 分子动力学方法
        1.4.4 软件介绍
        1.4.5 在水合物上的应用
    1.5 本课题主要研究内容
第二章 sI 型甲烷水合物的分子动力学模拟
    2.1 前言
    2.2 结构构建
    2.3 计算方法及步骤
        2.3.1 可靠性验证
        2.3.2 分子动力学模拟
    2.4 结果与讨论
        2.4.1 甲烷分子在水合物上的吸附
        2.4.2 甲烷水合物的分解温度
        2.4.3 初始径向分布函数
        2.4.4 温度的影响
    2.5 本章小结
第三章 丙三醇和聚乙烯吡咯烷酮对 sI 型水合物的协同抑制作用
    3.1 前言
    3.2 模拟体系和方法
        3.2.1 构型
        3.2.2 分子动力学模拟
    3.3 结果与讨论
        3.3.1 晶胞构型
        3.3.2 径向分布函数
        3.3.3 均方位移
        3.3.4 扩散系数
    3.4 本章小结
第四章 丙三醇和聚乙烯己内酰胺对 sII 型水合物的协同抑制作用
    4.1 前言
    4.2 模拟体系和方法
        4.2.1 构型
        4.2.2 分子动力学模拟
    4.3 结果与讨论
        4.3.1 晶胞构型
        4.3.2 径向分布函数
        4.3.3 均方位移
        4.3.4 扩散系数
    4.4 本章小结
第五章 总结
参考文献
致谢
攻读硕士期间发表的学术论文情况

【共引文献】

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本文编号：2860447