《二氧化碳置換天然氣水合物微觀機理的理論研究》是依託濟南大學，由劉金祥擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：二氧化碳置換天然氣水合物微觀機理的理論研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：劉金祥
- 依託單位：濟南大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
CO2置換天然氣水合物是一種經濟和環保的開採技術，但因涉及到分子吸附、擴散和交換等複雜的動力學過程，其微觀機理尚不清楚。而置換微觀機理的研究可為提高置換開採的安全性、置換速率和置換效率提供理論指導，目前已受到研究者越來越多的關注。本項目以sI型水合物為主要研究對象，採用量子化學計算和從頭算分子動力學模擬相結合的方法，從分子和電子層次系統考察CO2分子在水合物表面的吸附和滲透、CO2分子在水籠子間的擴散轉移、以及形成CH4-CO2混合水合物的熱動力學性質等，從而深入認識置換微觀機理；在此基礎上，明確CO2水合物及其二次水合物的形成機制，澄清CO2分子的擴散和滲透行為對置換速率的影響規律，探究混合水合物中CH4分子的占有率對置換效率的影響規律。該研究可為置換開採技術的工業化套用提供基礎數據和理論支持，因此具有重要意義和科學價值。
結題摘要
CO2置換開採天然氣水合物技術可同時實現CH4的開採和CO2的封存，因而得到了廣泛的重視。在本項目工作中，我們採用從頭算和分子模擬相結合的方法研究了CH4水合物、CH4–CO2混合水合物和CO2水合物的結構特徵、熱/動力學穩定性及其對水合物間轉換行為的影響。研究結果表明：（1）CH4水合物可自發地轉化成CO2水合物，且該過程為熵主導的反應；（2）對於sH型水合物，置換反應發生的優先順序是51268＞512＞435663，CH4–CO2二元混合水合物的熱力學穩定性高於CH4水合物；（3）與純CO2氣體相比，採用N2/CO2混合氣可提高25%的CH4開採率，置換過程包括熱力學控制的CO2-CH4置換反應和動力學控制的N2-CH4置換反應；（4）512、435663、51262、51264和51268水籠中CH4分子的最優占有率是1、1、1、2和5，且大尺寸水籠內容納的CH4分子有聚集成簇的現象；（5）根據憎水/親水作用的差異，小尺寸水籠是通過環擴張機制形成，而大尺寸水籠則通過分層機制形成；在水合物成核前期，更利於形成小尺寸水籠，但是一旦形成穩定的水合物結構，大尺寸水籠則表現出更好的熱力學穩定性。該研究可以進一步豐富和完善CO2置換開採天然氣水合物的微觀機理，促進置換開採技術的發展。
