作為一種潛在的未來新型能源，天然氣水合物受到了國內外的廣泛關注。而在油氣生產、加工和運輸過程中形成的水合物容易引起管道堵塞；在開采天然氣水合物過程中，需要促使天然氣和水分離。解決這些問題均涉及天然氣水合物抑制劑。 本文對兩種天然氣水合物（sI型甲烷水合物和sII型丙烷和甲烷水合物）模型進行了研究。采用分子動力學模擬能夠從微觀上探究水合物和抑制劑之間的相互作用及抑制機理。針對減少熱力學水合物抑制劑的用量從而降低成本方面，研究了兩類抑制劑之間的協(xié)同抑制作用。本文選取了三種抑制劑，即熱力學抑制劑（丙三醇）和動力學抑制劑（聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和聚乙烯己內酰胺（PVCap））。通過蒙脫卡羅、量子力學以及分子動力學計算方法，本文對協(xié)同抑制劑在兩種水合物構型中的分解性能進行探究，并得到以下結果： 在較低壓強條件下，溫度變化對甲烷分子在籠形水合物中的吸附十分敏感；而在較高壓強條件下，溫度對其吸附的影響則不明顯。甲烷分子在籠形水合物中的吸附為物理吸附。天然氣水合物的形成很可能是水分子在適宜溫度壓強條件下（低溫、高壓），首先以氫鍵形式結合成籠形結構，天然氣分子再通過吸附作用進入籠形結構的過程；在保持體積一定的前提下，水合物的溫度只有在253273K范圍內時，甲烷水合物中甲烷分子更容易從水合物籠狀結構里分解出來并形成超冷水構型。該結果與前人實驗得到的光學數(shù)據(jù)完全符合。隨著溫度升高，甲烷水合物的擴散并非呈現(xiàn)線性增加趨勢，而是出現(xiàn)了輕微的波動；在5atm壓強條件下，當溫度在193K213K范圍內時，水合物基本不分解。然而，隨著溫度升高，籠形水合物構型逐漸被破壞直至坍塌瓦解，這致使天然氣分子逐漸從水合物中擴散出來。溫度越高對分離天然氣和水越有利。 由于PVP分子作為一種表面活性劑和動力學水合物抑制劑對液固界面具有吸引力，它能夠很容易吸附到水合物表面，從而抑制水合物的成核。丙三醇分子中含有三個羥基能夠與水合物或液相中的水分子形成新的氫鍵，這抑制水分子參與形成水合物。抑制機理主要是抑制劑分子鍵合到水合物晶體表面，從而抑制進一步的生長和結晶過程。 通過分子動力學模擬，得到丙三醇和PVP混合溶液存在較好的協(xié)同動力學抑制作用。在sI型甲烷水合物加入濃度為40wt%的丙三醇和濃度為1.39wt%的PVP體系中，通過減緩水合物晶體的生長過程，水合物風險能夠得到治理。通過降低丙三醇水合物抑制劑的注射用量和濃度從而實現(xiàn)節(jié)約成本，水合物堵塞管道的問題也得以解決。 當sII型丙烷和甲烷水合物中加入濃度為30wt%的丙三醇和濃度為1.71wt%的PVCap溶液時，其協(xié)同抑制作用最為明顯。
【學位單位】：吉林大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2015
【中圖分類】：TE83;O641.3
【文章目錄】：
摘要
Abstract
第一章 緒論
    1.1 天然氣水合物的概述
        1.1.1 概念
        1.1.2 結構形態(tài)
    1.2 天然氣水合物的研究背景
        1.2.1 研究意義
        1.2.2 潛在危害
        1.2.3 國際上天然氣水合物研究進程
        1.2.4 我國天然氣水合物研究進程
        1.2.5 選題依據(jù)
    1.3 水合物抑制劑
        1.3.1 熱力學抑制劑
        1.3.2 動力學抑制劑
        1.3.3 防聚劑
    1.4 分子模擬簡介及應用
        1.4.1 理論基礎
        1.4.2 蒙托卡羅和量子力學方法
        1.4.3 分子動力學方法
        1.4.4 軟件介紹
        1.4.5 在水合物上的應用
    1.5 本課題主要研究內容
第二章 sI 型甲烷水合物的分子動力學模擬
    2.1 前言
    2.2 結構構建
    2.3 計算方法及步驟
        2.3.1 可靠性驗證
        2.3.2 分子動力學模擬
    2.4 結果與討論
        2.4.1 甲烷分子在水合物上的吸附
        2.4.2 甲烷水合物的分解溫度
        2.4.3 初始徑向分布函數(shù)
        2.4.4 溫度的影響
    2.5 本章小結
第三章 丙三醇和聚乙烯吡咯烷酮對 sI 型水合物的協(xié)同抑制作用
    3.1 前言
    3.2 模擬體系和方法
        3.2.1 構型
        3.2.2 分子動力學模擬
    3.3 結果與討論
        3.3.1 晶胞構型
        3.3.2 徑向分布函數(shù)
        3.3.3 均方位移
        3.3.4 擴散系數(shù)
    3.4 本章小結
第四章 丙三醇和聚乙烯己內酰胺對 sII 型水合物的協(xié)同抑制作用
    4.1 前言
    4.2 模擬體系和方法
        4.2.1 構型
        4.2.2 分子動力學模擬
    4.3 結果與討論
        4.3.1 晶胞構型
        4.3.2 徑向分布函數(shù)
        4.3.3 均方位移
        4.3.4 擴散系數(shù)
    4.4 本章小結
第五章 總結
參考文獻
致謝
攻讀碩士期間發(fā)表的學術論文情況

【共引文獻】

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本文編號：2860447