用分子动力学模拟甲烷水合物热激法结合化学试剂法分解

颜克凤; 李小森; 陈朝阳; 李 刚; 李志宝

doi:10.7498/aps.56.6727

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用分子动力学模拟甲烷水合物热激法结合化学试剂法分解

颜克凤 , 李小森 , 陈朝阳 , 李刚 , 李志宝

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用分子动力学模拟甲烷水合物热激法结合化学试剂法分解

颜克凤, 李小森, 陈朝阳, 李刚, 李志宝

物理学报, 2007, 56(11): 6727-6735.

doi: 10.7498/aps.56.6727

Molecular dynamics simulation of methane hydrate dissociation by thermal stimulation in conjunction with chemical injection method

Yan Ke-Feng, Li Xiao-Sen, Chen Zhao-Yang, Li Gang, Li Zhi-Bao

Acta Phys. Sin., 2007, 56(11): 6727-6735.

doi: 10.7498/aps.56.6727

摘要
用分子动力学模拟方法研究甲烷水合物的热激法，化学试剂法，以及热激法结合化学试剂法分解，系统研究温度为277K和340K时添加液态水(WTR)和30wt％乙二醇(EG)溶液对水合物分解的影响.模拟显示WTR与水合物表面水分子形成氢键，破坏水合物原有的氢键平衡，造成笼状结构坍塌，水合物分解.EG分子中的羟基与水合物表面水分子形成氢键，从而破坏原有的稳定结构，造成水合物笼状结构被破坏，达到促进水合物分解，释放甲烷气体的效果.比较温度为277K和340K时添加WTR和30wt％EG溶液对水合物分解效果得出EG(340K)> WTR(340K)>EG(277K)>WTR(277K)，热激法结合化学试剂法能更好促进水合物分解.

关键词:
甲烷水合物 /

分子动力学模拟 /

热激法 /

化学试剂法
Abstract
The characteristics of methane hydrate dissociation in the presence of thermal stimulation, chemical injection, and thermal stimulation in conjunction with chemical injection method were investigated by molecular dynamics simulation. The effect of the injection of liquid water (WTR) and 30wt% ethylene glycol (EG) solution at 277K and 340K on methane hydrate dissociation was studied. The results showed the hydrogen bonds between WTR molecules and the water molecules on the hydrate surface were formed，which destroyed the original hydrogen bond balance of the hydrate. Therefore, the clathrate structure of hydrate collapsed, and the hydrate dissociated. The hydrogen bonds was formed obviously between hydroxyl groups of EG molecules and the water molecules on the hydrate surface; this caused the original stable clathrate structure of the hydrate to be destroyed and collapse, and, furthermore, promoted the dissociation of the methane hydrate and the release of methane gas. Compared with the effects of injecting WTR and 30wt% EG solution at 277K and 340K on the dissociation of methane hydrate, the effectivences was found to be: EG(340K)> WTR(340K)>EG(277K)>WTR(277K). The thermal stimulation in conjunction with chemical injection method can more effectively promote the dissociation of hydrate.

Keywords:
methane hydrate /

molecular dynamics simulation /

thermal stimulation method /

chemical injection method
作者及机构信息
颜克凤¹,

李小森¹,

陈朝阳¹,

李刚¹,

李志宝²

(1)中国科学院广州能源研究所,广州 510640; (2)中国科学院过程工程研究所,北京 100080

基金项目: 国家高技术研究发展计划(863)(批准号：2006AA05Z319)，中国科学院“百人计划”和国家自然科学基金(批准号：20676133)资助的课题.
Authors and contacts
Yan Ke-Feng¹,

Li Xiao-Sen¹,

Chen Zhao-Yang¹,

Li Gang¹,

Li Zhi-Bao²

(1)中国科学院广州能源研究所,广州 510640; (2)中国科学院过程工程研究所,北京 100080
参考文献

施引文献

[1]	辛勇, 包宏伟, 孙志鹏, 张吉斌, 刘仕超, 郭子萱, 王浩煜, 马飞, 李垣明. U_1–_xTh_xO₂混合燃料力学性能的分子动力学模拟. 物理学报, 2021, 70(12): 122801. doi: 10.7498/aps.70.20202239
[2]	崔杰, 苏俊杰, 王军, 夏国栋, 李志刚. 自由分子区内纳米颗粒的热泳力计算. 物理学报, 2021, 70(5): 055101. doi: 10.7498/aps.70.20201629
[3]	朱智, 闫韶健, 段铜川, 赵妍, 孙庭钰, 李阳梅. 太赫兹电磁波调控甲烷水合物分解. 物理学报, 2021, 70(24): 248705. doi: 10.7498/aps.70.20211779
[4]	李兴欣, 李四平. 退火温度调控多层折叠石墨烯力学性能的分子动力学模拟. 物理学报, 2020, 69(19): 196102. doi: 10.7498/aps.69.20200836
[5]	王启东, 彭增辉, 刘永刚, 姚丽双, 任淦, 宣丽. 基于混合液晶分子动力学模拟比较液晶分子旋转黏度大小. 物理学报, 2015, 64(12): 126102. doi: 10.7498/aps.64.126102
[6]	李琳, 王暄, 孙伟峰, 雷清泉. 聚乙烯/银纳米颗粒复合物的分子动力学模拟研究. 物理学报, 2013, 62(10): 106201. doi: 10.7498/aps.62.106201
[7]	孙伟峰, 王暄. 聚酰亚胺/铜纳米颗粒复合物的分子动力学模拟研究. 物理学报, 2013, 62(18): 186202. doi: 10.7498/aps.62.186202
[8]	葛宋, 陈民. 接触角与液固界面热阻关系的分子动力学模拟. 物理学报, 2013, 62(11): 110204. doi: 10.7498/aps.62.110204
[9]	汪俊, 张宝玲, 周宇璐, 侯氢. 金属钨中氦行为的分子动力学模拟. 物理学报, 2011, 60(10): 106601. doi: 10.7498/aps.60.106601
[10]	颜克凤, 李小森, 孙丽华, 陈朝阳, 夏志明. 储氢笼型水合物生成促进机理的分子动力学模拟研究. 物理学报, 2011, 60(12): 128801. doi: 10.7498/aps.60.128801
[11]	齐跃峰, 乔汉平, 毕卫红, 刘燕燕. 热激法光子晶体光纤光栅制备工艺中热传导特性研究. 物理学报, 2011, 60(3): 034214. doi: 10.7498/aps.60.034214
[12]	权伟龙, 李红轩, 吉利, 赵飞, 杜雯, 周惠娣, 陈建敏. 类金刚石薄膜力学特性的分子动力学模拟. 物理学报, 2010, 59(8): 5687-5691. doi: 10.7498/aps.59.5687
[13]	颜克凤, 李小森, 陈朝阳, 徐纯钢. 整体煤气化联合循环合成气水合物法分离CO2的分子动力学模拟. 物理学报, 2010, 59(6): 4313-4321. doi: 10.7498/aps.59.4313
[14]	谢芳, 朱亚波, 张兆慧, 张林. 碳纳米管振荡的分子动力学模拟. 物理学报, 2008, 57(9): 5833-5837. doi: 10.7498/aps.57.5833
[15]	颜克凤, 李小森, 陈朝阳, 李刚, 唐良广, 樊栓狮. 用分子动力学模拟甲烷水合物热激法分解. 物理学报, 2007, 56(8): 4994-5002. doi: 10.7498/aps.56.4994
[16]	李瑞, 胡元中, 王慧, 张宇军. 单壁碳纳米管在石墨基底上运动的分子动力学模拟. 物理学报, 2006, 55(10): 5455-5459. doi: 10.7498/aps.55.5455
[17]	何兰, 沈允文, 容启亮, 徐雁. 基于分子动力学模拟的主链型液晶聚合物的新模型. 物理学报, 2006, 55(9): 4407-4413. doi: 10.7498/aps.55.4407
[18]	王昶清, 贾瑜, 马丙现, 王松有, 秦臻, 王飞, 武乐可, 李新建. 不同温度下Si(001)表面各种亚稳态结构的分子动力学模拟. 物理学报, 2005, 54(9): 4313-4318. doi: 10.7498/aps.54.4313
[19]	李欣, 胡元中, 王慧. 磁盘润滑膜全氟聚醚的分子动力学模拟研究. 物理学报, 2005, 54(8): 3787-3792. doi: 10.7498/aps.54.3787
[20]	盛正卯, 骆军委. 利用扩展系综法计算水的自由能. 物理学报, 2003, 52(9): 2342-2346. doi: 10.7498/aps.52.2342

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物理学报. 2007, 56(11): 6727-6735.

doi: 10.7498/aps.56.6727.

用分子动力学模拟甲烷水合物热激法结合化学试剂法分解

1. (1)中国科学院广州能源研究所,广州 510640; (2)中国科学院过程工程研究所,北京 100080

基金项目: 国家高技术研究发展计划(863)(批准号：2006AA05Z319)，中国科学院“百人计划”和国家自然科学基金(批准号：20676133)资助的课题.

收稿日期: 2007-01-11
修回日期: 2007-03-22
刊出日期: 2007-11-20

摘要: 用分子动力学模拟方法研究甲烷水合物的热激法，化学试剂法，以及热激法结合化学试剂法分解，系统研究温度为277K和340K时添加液态水(WTR)和30wt％乙二醇(EG)溶液对水合物分解的影响.模拟显示WTR与水合物表面水分子形成氢键，破坏水合物原有的氢键平衡，造成笼状结构坍塌，水合物分解.EG分子中的羟基与水合物表面水分子形成氢键，从而破坏原有的稳定结构，造成水合物笼状结构被破坏，达到促进水合物分解，释放甲烷气体的效果.比较温度为277K和340K时添加WTR和30wt％EG溶液对水合物分解效果得出EG(340K)> WTR(340K)>EG(277K)>WTR(277K)，热激法结合化学试剂法能更好促进水合物分解.

关键词:

English Abstract

Molecular dynamics simulation of methane hydrate dissociation by thermal stimulation in conjunction with chemical injection method

1.
(1)中国科学院广州能源研究所,广州 510640; (2)中国科学院过程工程研究所,北京 100080

Received Date: 11 January 2007
Accepted Date: 22 March 2007
Published Online: 20 November 2007

Abstract: The characteristics of methane hydrate dissociation in the presence of thermal stimulation, chemical injection, and thermal stimulation in conjunction with chemical injection method were investigated by molecular dynamics simulation. The effect of the injection of liquid water (WTR) and 30wt% ethylene glycol (EG) solution at 277K and 340K on methane hydrate dissociation was studied. The results showed the hydrogen bonds between WTR molecules and the water molecules on the hydrate surface were formed，which destroyed the original hydrogen bond balance of the hydrate. Therefore, the clathrate structure of hydrate collapsed, and the hydrate dissociated. The hydrogen bonds was formed obviously between hydroxyl groups of EG molecules and the water molecules on the hydrate surface; this caused the original stable clathrate structure of the hydrate to be destroyed and collapse, and, furthermore, promoted the dissociation of the methane hydrate and the release of methane gas. Compared with the effects of injecting WTR and 30wt% EG solution at 277K and 340K on the dissociation of methane hydrate, the effectivences was found to be: EG(340K)> WTR(340K)>EG(277K)>WTR(277K). The thermal stimulation in conjunction with chemical injection method can more effectively promote the dissociation of hydrate.

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(1)中国科学院广州能源研究所,广州 510640; (2)中国科学院过程工程研究所,北京 100080

Authors and contacts

(1)中国科学院广州能源研究所,广州 510640; (2)中国科学院过程工程研究所,北京 100080

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Molecular dynamics simulation of methane hydrate dissociation by thermal stimulation in conjunction with chemical injection method

1. (1)中国科学院广州能源研究所,广州 510640; (2)中国科学院过程工程研究所,北京 100080

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