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天然气水合物相平衡及其表面张力影响研究

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符号表

第一章绪论

§1.1课题的背景及意义

§1.2天然气水合物的性质与资源分布

§1.2.1天然气水合物的基本性质

§1.2.2天然气水合物的定量评价方法

§1.2.3天然气水合物的资源分布

§1.3水合物的研究历史和现状

§1.3.1水合物的研究历史

§1.3.2水合物的研究现状

§1.3.3我国水合物的研究现状

§1.3.4当今天然气水合物的研究方向与研究重点

§1.4水合物技术的应用

§1.4.1天然气水合物的开采策略

§1.4.2天然气水合物技术在其他领域的应用

§1.5开发水合物可能带来的环境问题

§1.6本课题研究的主要内容

第二章水合物生成条件的预测模型

§2.1气水体系天然气水合物生成

§2.1.1气水体系天然气水合物生成机理

§2.1.2影响水合物形成的条件

§2.2气水体系天然气水合物相平衡测定方法

§2.3水合物生成条件的各种预测模型简介

§2.3.1经验或半经验模型

§2.3.2热力学相态平衡理论模型

§2.4 VDWP预测模型

§2.4.1 VDWP相态平衡理论模型的前提条件

§2.4.2 VDWP相态平衡理论模型的计算公式

§2.4.3 VDWP理论模型的计算步骤与结果分析

第三章应用量子化学分析天然气水合物的形成

§3.1量子化学简介

§3.2量子化学几何构型的优化

§3.3密度泛函理论(DFT)

§3.3.1密度泛函理论的基本原理

§3.3.2密度泛函理论的理论背景

§3.3.3 Gaussian98中包含的DFT方法

§3.4密度泛函理论对天然气水合物的分析

§3.4.1计算模型的简化

§3.4.2 DFT计算结果分析

第四章基于量子化学改进天然气水合物相平衡模型

§4.1相平衡的热力学基础

§4.2天然气水合物相平衡改进模型

§4.3改进模型的计算步骤及结果分析

第五章表面张力对天然气水合物生成影响实验

§5.1概述

§5.2实验内容介绍

§5.3天然气水合物的燃烧与分解

§5.4天然气水合物的含气实验

§5.5不同表面张力下天然气水合物生成实验分析

§5.6表面张力对天然气水合物生成的影响机理分析

§5.7结论

第六章总结与展望

参考文献

致谢

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摘要

天然气水合物物藏是巨大的有机碳库,它将在下个世纪后期会成为提供给人类最重要的能源,天然气水合物作为一种潜在能源具有广阔的前景和发展空间。 作为工业应用的基础性研究,天然气水合物的相平衡问题是当今研究的热点。本文依据量子化学,从分子结构的角度改进了天然气水合物相平衡的模型。本文认为主体分子(水分子)与客体分子(CH4)之间的势能变化是决定水合物相平衡点的关键因素。由于H2O和CH4分子中均存在H原子,本文忽略H原子在水合物形成过程中对C原子和O原子的作用,把C和O原子之间的势能变化作为水合物形成的关键因素。在C-O键长从1.2埃到3.4埃变化的过程中,系统的总势能减小,零点能减小;当C-O键长大于3.4埃时,总势能和零点能达到最小,并且趋于稳定。本文根据以往的计算结果,可得到稳定状态下零点能(ZPE)、系统平衡温度T与水合物结构Langmuir常数C的关系式。把该关系式引入VDWP模型,就得到了依据量子化学改进的天然气水合物的相平衡模型。该模型不仅能较为准确的预测正常状态下天然气水合物的相平衡点,而且能够预测出在分子结构发生细微变化时,天然气水合物相平衡的变化趋势,为分子水平微观研究水合物的特性,提供了一种新的模型和方法。并在研究过程中,建立一个小型的水合物合成模拟试验装置,初步人工合成了天然气水合物。由于表面活性剂SDS会影响天然气水合物的生成速度,本文在100ppm、200ppm、300ppm下,对天然气水合物的生成速度进行了实验测定,并给出了理论分析。

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