页岩中黏土矿物吸附特性分子模拟

页岩的吸附解吸特性对页岩气资源开发具有重要意义。为深入了解页岩中黏土矿物微观吸附机理, 利用Material Studio 分子模拟软件构建了伊利石、蒙脱石和高岭石3种黏土矿物分子模型, 采用巨正则Monte Carlo(GCMC)方法对3种模型的等温吸附量和吸附热进行了模拟计算。研究表明, 在相同温度和压力条件下3种黏土矿物对CH₄分子的吸附量大小顺序是伊利石>蒙脱石>高岭石;随压力增大3种黏土矿物对CH₄分子的吸附量均有所增加, 而且伊利石和蒙脱石对CH₄分子的吸附量对压力变化更为敏感;3种黏土矿物的等量吸附热均小于42 kJ·mol^-1, 对CH₄的吸附为物理吸附;随着温度的升高, CH₄分子的吸附热和吸附量均减小。     

容量法测量5 A分子筛静态吸附CH4、CO和CO2的研究

采用容量法分别测量CH₄、CO和CO₂在5A分子筛上的等温吸附曲线,探究吸附温度和吸附压力对CH₄、CO和CO₂吸附量的影响。实验结果表明,吸附量随着吸附压力的上升逐渐增大。设定吸附温度在30 ℃、50 ℃和70 ℃时,5A分子筛在30 ℃时对CH₄吸附量最大,为13.60 cm³·g^-1;对CO和CO₂吸附量均在50 ℃时呈现最大值,分别为17.68 cm³·g^-1 和94.38 cm³·g^-1。而吸附温度70 ℃时,对3种气体的吸附量均减小。     

炭膜分离CO2/CH4混合气的分子模拟

针对炭膜分离CO₂/CH₄混合气体的过程,分别采用Materials Studio和Lammps软件进行分子模拟,建立与炭膜孔结构相近的Z字形孔模型,通过实验数据验证了模型的可靠性,通过对CO₂/CH₄纯组分及混合气体在膜孔内的吸附和扩散过程的模拟得到分离系数并探讨气体分离机理。综合吸附与扩散过程的模拟结果表明:适当的低温和较小的孔径有利于实现CO₂/CH₄混合气体的分离;随着温度的升高,CO₂/CH₄的分离系数减小,而且膜孔径对分离系数的排序为0.670nm>1.005nm>1.340nm;在温度为298K、膜孔径为0.670nm的操作条件下CO₂/CH₄的分离系数为20.1,与实验数据较吻合。研究结果可为优化炭膜制备提供指导,并为探讨分离过程机理提供依据。     

碳分子筛变压吸附提纯沼气的性能

选择碳分子筛,以CH₄和CO₂为原料气,对变压吸附法提纯沼气中生物甲烷的分离性能进行了研究。采用高精度智能重量分析仪IGA-100测定了25℃下CH₄、CO₂和N₂纯组分气体在碳分子筛上的吸附平衡等温线,计算了3种气体在碳分子筛内的扩散速率CO₂>N₂>CH₄。使用单塔变压吸附装置测量了动态吸附穿透曲线,考察了吸附压力、气体流量和少量氮气等因素对吸附分离的影响,并对吸附机理做了初步探讨。实验结果表明,在吸附压力为0.4MPa、气体流量为200mL/min时,在碳分子筛上CO₂穿透吸附量为35.9mL/g,CH₄穿透吸附量为5.4mL/g,CO₂/CH₄分离系数高达12.6,可直接从吸附塔顶富集纯净的CH₄,而且碳分子筛可以通过抽真空完全再生,是一种理想的吸附材料;在有少量氮气存在的实验条件下,由于碳分子筛对CH₄和N₂具有动力学分离效应,仍能在塔顶富集高浓度的CH₄。     

CH4-N2在自支撑颗粒型Silicalite-1上的吸附分离及PSA模拟

纯硅分子筛Silicalite-1原粉（Si/Al>470）在6 MPa压力下制成自支撑颗粒状吸附剂，经XRD和77 K氮气吸脱附表征表明自支撑颗粒型的Silicalite-1保留了原粉的晶体结构和比表面。静态重量法测试了273/298/313 K下CH₄和N₂在其上的吸附等温线，利用理想吸附溶液理论（IAST）法计算了吸附剂对CH₄/N₂的选择性。动态气体穿透实验测试了颗粒型Silicalite-1吸附剂对不同浓度CH₄/N₂混合气的分离效果，结果表明该吸附剂更适合于低浓度甲烷（20%/80% CH₄/N₂）的富集脱氮。通过总传质模型利用数值模拟预测了颗粒型Silicalite-1吸附剂的变压吸附分离（PSA）富集低浓度煤层气中甲烷的效果。模拟结果显示20%/80%的CH₄/N₂混合气经一次提浓，CH₄浓度可以提升至37%~41%，回收率达到60%~92%；30%/70%的CH₄/N₂混合气经一次提浓，CH₄浓度可以提升至50%~53%，回收率达到58%~92%。     

基于沸石ZSM-5的CH4/N2/CO2二元体系吸附平衡

采用Rubotherm磁悬浮天平测量CH₄、N₂和CO₂在沸石ZSM-5上的单组分吸附平衡等温线,温度273～353 K,压力0～500 kPa。采用Sips模型、Toth模型和MSL模型对单组分吸附平衡实验数据进行拟合,拟合结果良好,非线性回归得到相应的模型参数。测量双组分CO₂/N₂、CO₂/CH₄和CH₄/N₂在沸石ZSM-5上的竞争吸附平衡等温线,实验温度为293 K,实验压力为0～500 kPa。采用基于Sips模型的理想吸附溶液理论和双组分MSL模型预测双组分气体在沸石ZSM-5上的竞争吸附平衡等温线,并与实验结果进行比较,预测结果良好。比较CO₂/N₂、CO₂/CH₄以及CH₄/N₂体系在沸石ZSM-5上的竞争吸附选择性系数,探究沸石ZSM-5吸附分离烟道气（CO₂/N₂体系）、垃圾填埋气（CO₂/CH₄体系）或煤层气（CH₄/N₂体系）的可行性,为将来进行工艺设计提供基础数据。     

CH4在原油体系中溶解规律及影响机理

为了研究甲烷（CH₄）在原油体系中的溶解过程,本文采用CH₄溶解度测试和分子模拟相结合的方式,系统研究了不同温度、压力条件下CH₄在原油体系中的溶解行为。以正庚烷为基础油,蜡、胶质、沥青质含量为影响因素,按照L₁₆(4³)正交表构建相应的原油体系,并构建胜利原油和南阳原油两种特定比例的原油体系,共18种原油体系。利用分子动力学方法模拟了CH₄分子在不同原油体系中的溶解过程,并利用试验结果验证了模拟的可靠性。结果表明：在泡点压力范围内,随着溶气压力的增加,CH₄溶解量逐渐增大,但其溶解位置可能发生变化;当溶气压力较低时,CH₄分子较为分散地分布在原油体系中,随着CH₄溶解量的增多,部分CH₄分子会发生聚集;CH₄在原油体系中的溶解为物理溶解过程,且CH₄溶解过程中范德华力为主要的力学作用方式;原油体系自由体积分数越大,能够为CH₄提供的溶解空间越大;原油大分子对CH₄溶解量影响程度依次为：蜡<胶质<沥青质,且原油大分子未改变CH₄溶解的力学作用方式,并通过力学模型揭示了相互作用能与原油体系体积变化量的线性关系,促进对CH₄在原油体系中溶解的分子级理解。     

一维直孔道MOFs对CH4/N2和CO2/CH4的分离

非常规天然气未来可以作为常规天然气的有效补充,其中低浓度煤层气和生物质燃气分别需要脱除大量的N₂ 和CO₂以达到富集和纯化CH₄的目的。本研究针对CH₄/N₂这一对较难分离的气体组合,选取了具有一维菱形孔道的MOFs材料Cu(INA)₂作为吸附剂,将合成的样品做了XRD和TG表征,测试了纯气体CO₂、CH₄和N₂的吸附曲线,利用巨正则系综蒙特卡罗(GCMC)分子模拟和理想吸附溶液理论(IAST)计算了气体的吸附热和该材料对于CH₄/N₂和CO₂/CH₄的吸附选择性系数;3 MPa压力下制备的颗粒样品填装吸附分离装置,进行了混合气体CH₄/N₂ (50%/50%)和CO₂/CH₄ (50%/50%)的穿透试验,分离的结果显示,Cu(INA)₂不仅高选择性地吸附CH₄/N₂混合物中的CH₄(S_CH4/N2=10),而且对CH₄/N₂的分离效果优于CO₂/CH₄。     

不同管径碳纳米管中CO2/CH4分离的分子模拟

生物甲烷路线在CO₂减排和节能方面有很大的应用前景。而对生物沼气的分离是此路线的一个关键问题,特别是在60℃和0.1 MPa下。巨正则Monte Carlo（GCMC）和平衡分子动力学（EMD）的分子模拟方法研究CO₂和CH₄在不同管径的碳纳米管（CNT）中的吸附和扩散,可以从分子层面研究生物沼气的分离机理。分别计算了CO₂/CH₄二元混合物吸附量、吸附选择性、自扩散系数和渗透选择性等参数。模拟结果表明：由于碳管的受限空间和CO₂与碳纳米管壁面分子之间强相互作用,导致二元等物质的量的混合物CO₂/CH₄的吸附量和扩散系数的差异。CO₂的吸附量和自扩散系数都比CH₄的大。渗透选择性在碳管管径达到最接近1 nm时达到最大值,此时混合物的分离过程是吸附控制,而非扩散控制。     

孔活性炭储存CH4的分子模拟

吸附天然气被认为是未来最具有发展前景的CH₄储存方式之一,其中的关键是寻找合适的吸附剂,使其具有良好的CH₄吸脱附性能。以纳米多孔碳材料作为多孔活性炭的结构,采用巨正则蒙特卡洛（GCMC）和平衡分子动力学（EMD）的方法研究CH₄在纳米多孔碳材料中的吸附和扩散行为,通过考察不同因素的影响,期望获得高的CH₄吸附量和自扩散系数。其中,研究的主要因素有：构成多孔碳材料的石墨片微元的大小、多孔碳材料的不同密度、多孔碳材料的表面基团改性。结果表明：多孔碳材料对CH₄的吸附受石墨片微元种类和混合比例的影响不大;在所研究的多孔碳材料密度范围内,存在最优密度,能够获得最大的CH₄吸附量,此最优密度在0.50 g·cm^-3左右,但是多孔碳材料的表面经羟基修饰后,最佳材料密度发生了偏移,此时最优密度在0.72 g·cm^-3左右;此外,经表面改性后的多孔碳材料吸附量大小顺序为：CH₃ > OH > CO > COOH;对于CH₄在多孔碳材料中的扩散,总体规律是低的密度,并且经过COOH修饰,其CH₄自扩散系数最大。     

Adsorption behavior of carbon dioxide and methane in bituminous coal: A molecular simulation study

The adsorption behavior of CO₂, CH₄ and their mixtures in bituminous coal was investigated in this study. First, a bituminous coal model was built through molecular dynamic (MD) simulations, and it was confirmed to be reasonable by comparing the simulated results with the experimental data. Grand Canonical Monte Carlo (GCMC) simulations were then carried out to investigate the single and binary component adsorption of CO₂ and CH₄ with the built bituminous coal model. For the single component adsorption, the isosteric heat of CO₂ adsorption is greater than that of CH₄ adsorption. CO₂ also exhibits stronger electrostatic interactions with the heteroatom groups in the bituminous coal model compared with CH₄, which can account for the larger adsorption capacity of CO₂ in the bituminous coal model. In the case of binary adsorption of CO₂ and CH₄ mixtures, CO₂ exhibits the preferential adsorption compared with CH₄ under the studied conditions. The adsorption selectivity of CO₂ exhibited obvious change with increasing pressure. At lower pressure, the adsorption selectivity of CO₂ shows a rapid decrease with increasing the temperature, whereas it becomes insensitive to temperature at higher pressure. Additionally, the adsorption selectivity of CO₂ decreases gradually with the increase of the bulk CO₂ mole fraction and the depth of CO₂ injection site.     

CO2和O2在聚乳酸/聚偏二氟乙烯共混物中扩散行为的分子动力学模拟研究

采用分子动力学模拟方法研究了CO₂和O₂分子在聚乳酸/聚偏二氟乙烯（PLA/PVDF）共混物中的扩散行为;通过菲克第一定律和Einstein关系式计算了共混物体系模型的自由体积分数以及CO₂和O₂分子在体系中的扩散系数,研究探讨了自由体积分数与探头半径的关系及自由体积分数与扩散系数的关系。结果表明,当PLA/PVDF共混物中PLA和PVDF的质量比为9∶1时,CO₂和O₂气体分子的扩散系数均为最小,共混物阻隔性能最好;共混体系中小分子的动力学半径越小,扩散系数越大;自由体积分数随硬球探头模型中探头半径的增大而减小;不同共混物体系中,自由体积分数的变化趋势与扩散系数一致,与Fox和Flory的自由体积理论相符。     

Nitrogen rejection from low quality natural gas by pressure swing adsorption experiments and simulation using dynamic adsorption isotherms

In order to remove N₂ from low quality natural gas, a mathematical model has been established by Aspen adsorption, using the CH₄-selective sorbent silicalite-1 pellets. The dynamic adsorption isotherm was first simulated by breakthrough simulation of a CH₄/N₂ mixture at different adsorption pressures and feed flow rates based on breakthrough experiments. The resulting simulated CH₄ dynamic adsorption amounts were very close to the experimental data at three different adsorption pressures (100, 200, and 300 kPa). Moreover, a single-bed, three-step pressure swing adsorption (PSA) experiment was performed, and the results were in good agreement with the simulated data, further corroborating the accuracy of the gas dynamic adsorption isotherm obtained by the simulation method. Finally, based on the simulated dynamic adsorption isotherm of CH₄ and N₂, a four-bed, eight-step PSA process has been designed, which enriched 75% (vol) CH₄ and 80% (vol) CH₄ to 95% (vol) and 99% (vol), and provided 99% (vol) recovery.     

沸石ZSM-5吸附回收低浓度煤层气中CH4

利用高硅疏水性沸石ZSM-5吸附回收低浓度煤层气中的甲烷,对其吸附平衡、吸附动力学以及真空变压吸附分离过程进行了理论和实验研究。通过重量法和穿透曲线法测定了CH₄/N₂单组分及双组分的竞争吸附平衡数据,并采用Multisite Langmuir吸附等温线模型对其进行拟合。结合CH₄和N₂稀释穿透曲线实验数据和等温无动量损失的双分散二级孔结构扩散模型,获得CH₄和N₂在沸石ZSM-5上的微孔扩散系数。建立并求解包含质量、动量及能量传递的固定床吸附分离模型方程,预测了CH₄和N₂在沸石ZSM-5上的竞争吸附穿透曲线。进一步采用ZSM-5吸附剂填充床单柱四步真空变压吸附实验考察了进料浓度、进料流速、进料时间以及吹扫比对分离效果的影响。结果发现沸石ZSM-5对CH₄具有较好的选择性,沸石晶粒内的微孔扩散为吸附速率控制步骤,真空变压吸附工艺可将模拟煤层气中20%的CH₄提纯至31%～41%,回收率为93%～98%。