哈密煤惰质组结构与CH4，CO2，H2O气体间的相互作用分子模拟

论文摘要

将二氧化碳注入到煤层既可以提高煤层气采收率,又能实现二氧化碳的地质储集,因此研究煤对气体的吸附作用具有十分重要的意义。有很多实验和理论都涉及混合气体在煤中的吸附,但由于气体的竞争吸附是动态过程,使得常规的实验方法难以准确描述煤结构与气体之间的关系,对吸附机制微观解释也不完全准确。分子模拟可以提供一种解决的方法,在分子水平上探讨煤和气体间相互作用和动态过程。本文选择分子模拟吸附技术对哈密煤惰质组（HI）结构及其与气体分子吸附关系进行研究。通过分析HI的13C CP/MAS NMR谱图和元素分布,得到了HI结构相关的参数,并反复调整后得到了与实际谱图相吻合的结构模型。采用分子退火动力学方法模拟,发现优化后三维HI结构呈片状,整体趋向于“石墨化”。范德华力是分子中的主要作用力,HI的密度为1.29g/cm3。利用蒙特卡罗（GCMC）模拟方法,计算出CH4、CO2、H2O饱和吸附量分别为：3,5,11 moleculars/u.c.;CH4主要出现在煤分子结构的边缘,CO2在煤结构中出现比较均一,H2O排列时指向煤中含氧官能团。分子动力学模拟了温度298.15K,不同压力条件下气体在HI上的附吸性质：同温同压下吸附量大小是：CH4<CO2<H2O,吸附量随着压力的增加而增加；压力较小时,吸附发生在较宽的孔中,增加压力时气体出现团簇,进入更窄的孔隙。应用巨正则蒙特卡罗（GCMC）模拟方法研究了温度273.15-323.15K,压力0-20MPa下吸附性质：吸附量随压力的增加而上升,两者关系不完全符合Langmuir公式；温度升高时吸附量降低。在二元等温吸附中：CO2优先吸附并且对CH4有很大阻碍作用,水分对煤的吸附性能影响较大,它的结合力比甲烷和二氧化碳更为强；多元气体吸附时,吸附量关系为CH4<CO2<H2O。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 序言
• 1.1 煤大分子结构研究方法介绍
• 1.2 煤分子结构模型
• 1.2.1 化学结构模型
• 1.2.2 物理结构模型
• 1.2.3 综合模型
• 1.3 分子模拟原理
• 1.4 分子模拟在煤分子研究中应用
• 1.4.1 煤结构研究中应用
• 1.4.2 分子模拟在吸附中应用
• 1.5 研究背景、意义与目标
• 参考文献
• 第二章 哈密惰质组的结构特征分析及模型构建
• 2.1 前言
• 2.2 煤样选取与分析
• 2.2.1 样品选取及显微组分分离
• 2.2.2 煤样的工业分析和元素分析
• 2.2.3 新疆哈密煤反射率的测定
• 13C-NMR实验'>2.2.4¹³C-NMR实验
• 2.3 结果与分析
• 13C化学位移归属'>2.3.1 煤结构中¹³C化学位移归属
• 2.3.2 谱图分峰
• 2.3.3 HI的NMR结构参数
• 2.4 HI结构模型结构参数确定
• 2.4.1 芳香结构单元
• 2.4.2 脂肪碳结构
• 2.4.3 杂原子结构的确定
• 2.5 HI结构模型的构建
• 2.6 HI结构模型的修正
• 13C-NMR化学位移计算'>2.6.1¹³C-NMR化学位移计算
• 2.6.2 模型调整
• 2.7 结论
• 参考文献
• 第三章 HI结构模型的分子模拟
• 3.1 引言
• 3.2 计算模块简介
• 3.3 分子力学模拟计算
• 3.3.1 力场选择
• 3.3.2 模拟细节及参数设置
• 3.3.3 结果与分析
• 3.4 HI密度的分子模拟
• 3.4.1 模拟方法
• 3.4.2 结果与分析
• 3.5 结论
• 参考文献
• 第四章 分子动力学和蒙特卡洛模拟吸附
• 4.1 前言
• 4.2 分子动力学模拟
• 4.2.1 吸附质的优化
• 4.2.2 模拟方案
• 4.2.3 结果与讨论
• 4.3 巨正则蒙特卡洛模拟
• 4.3.1 吸附质的优化
• 4.3.2 模拟方案及参数设置
• 4.3.3 结果与讨论
• 4.4 结论
• 参考文献
• 第五章 单组分及多组分气体的等温吸附
• 5.1 前言
• 5.2 单组分吸附
• 5.2.1 模拟方案和参数设置
• 5.2.2 结果与讨论
• 5.3 多元吸附
• 5.3.1 计算方案和参数设置
• 5.3.2 二元组分的等温吸附量
• 5.3.3 三元等温吸附
• 5.4 结论与认识
• 参考文献
• 第六章 结论与建议
• 6.1 主要结论
• 6.2 研究建议
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文