甲烷在構(gòu)造煤中吸附和擴(kuò)散的分子模擬

【摘要】： 構(gòu)造煤是煤體的原生結(jié)構(gòu)遭受不同程度破壞甚至內(nèi)部化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)變化的一類煤,它的存在與瓦斯突出有著密切的關(guān)聯(lián)。本文采用分子模擬的巨正則系綜蒙特卡洛方法(GCMC)和分子動(dòng)力學(xué)方法(MD),通過比較甲烷在構(gòu)造煤和相應(yīng)的原生結(jié)構(gòu)煤中吸附及擴(kuò)散的差異,旨在尋求瓦斯突出的微觀原因。本文的主要內(nèi)容如下: 依據(jù)取自同一礦井、同一煤層的構(gòu)造煤和相應(yīng)的原生結(jié)構(gòu)煤XRD分析數(shù)據(jù),結(jié)合無機(jī)晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫ICSD中石墨的晶胞參數(shù),構(gòu)建出構(gòu)造煤和相應(yīng)的原生結(jié)構(gòu)煤模型。 采用GCMC方法,計(jì)算283-323K下甲烷在兩種煤模型中吸附的亨利常數(shù),得到吸附熱。計(jì)算結(jié)果顯示,所有煤樣,包含了從肥煤到無煙煤階段的構(gòu)造煤和相應(yīng)的原生結(jié)構(gòu)煤對(duì)甲烷的吸附熱數(shù)值差別很小,說明煤與氣體吸附作用的熱效應(yīng)不是瓦斯突出的主要原因。 選取兩組構(gòu)造差異較大的構(gòu)造煤和相應(yīng)的原生結(jié)構(gòu)煤,采用GCMC方法計(jì)算298K和303K下甲烷的等溫吸附線,計(jì)算結(jié)果表明在相同溫度下構(gòu)造煤對(duì)甲烷的吸附能力大于相應(yīng)的原生結(jié)構(gòu)煤。 通過研究溫度、煤化程度和水分對(duì)甲烷吸附的影響,計(jì)算結(jié)果表明,在283K-323K范圍內(nèi),隨著溫度的升高,兩種煤對(duì)甲烷的吸附量呈規(guī)律性的降低,用線性方程回歸得到溫度-吸附量經(jīng)驗(yàn)公式,發(fā)現(xiàn)構(gòu)造煤吸附甲烷對(duì)溫度的變化更為敏感;隨著煤化程度的升高,構(gòu)造煤對(duì)甲烷的吸附量明顯增加,在低煤化程度階段,溫度的影響較弱,隨著煤化程度的增大,溫度的影響顯著;由于水分子較甲烷分子更容易吸附,水分子優(yōu)先占據(jù)煤表面的吸附位,使得甲烷的吸附量有所減少;水分子含量越多,甲烷吸附量減少越明顯,但在數(shù)量上水分子的吸附不會(huì)給甲烷的吸附帶來本質(zhì)上的影響。 采用MD方法,研究了甲烷在構(gòu)造煤和相應(yīng)原生結(jié)構(gòu)煤中的擴(kuò)散,通過分析均方位移(MSD),計(jì)算擴(kuò)散系數(shù),發(fā)現(xiàn)構(gòu)造煤更有利于甲烷的擴(kuò)散。 選取了一組構(gòu)造煤和相應(yīng)的原生結(jié)構(gòu)煤,計(jì)算288、298、308、318和328K下甲烷在兩種煤中的擴(kuò)散系數(shù),并通過Arrhenius方程擬合得到甲烷在構(gòu)造煤中擴(kuò)散的活化能小于相應(yīng)的原生結(jié)構(gòu)煤,即構(gòu)造煤更有利于甲烷的擴(kuò)散,認(rèn)為是瓦斯突出的微觀原因。 【關(guān)鍵詞】：甲烷 構(gòu)造煤 吸附 擴(kuò)散 分子模擬
【學(xué)位授予單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2010
【分類號(hào)】：P618.11
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 緒論11-22
• 1.1 原生結(jié)構(gòu)煤和構(gòu)造煤11-13
• 1.1.1 原生結(jié)構(gòu)煤和構(gòu)造煤命名及分類11-12
• 1.1.2 構(gòu)造煤與瓦斯突出12-13
• 1.2 構(gòu)造煤的結(jié)構(gòu)13-16
• 1.2.1 煤的結(jié)構(gòu)13-14
• 1.2.2 構(gòu)造煤的大分子結(jié)構(gòu)14-16
• 1.2.3 構(gòu)造煤低分子化合物16
• 1.3 甲烷在原生結(jié)構(gòu)煤和構(gòu)造煤中吸附和解吸16-21
• 1.3.1 甲烷在原生結(jié)構(gòu)煤和構(gòu)造煤中的吸附16-20
• 1.3.2 甲烷在原生結(jié)構(gòu)煤和構(gòu)造煤中的解吸20-21
• 1.4 本論文的主要工作21-22
• 第二章 分子模擬簡介和應(yīng)用22-42
• 2.1 分子模擬的理論基礎(chǔ)23-29
• 2.1.1 統(tǒng)計(jì)力學(xué)基本原理23-25
• 2.1.2 分子力學(xué)力場25-29
• 2.2 蒙特卡洛方法29-34
• 2.2.1 蒙特卡洛方法的基本原理29-31
• 2.2.2 Metropolis 抽樣方法31
• 2.2.3 巨正則系綜蒙特卡洛方法31-34
• 2.3 分子動(dòng)力學(xué)方法34-36
• 2.3.1 分子動(dòng)力學(xué)34
• 2.3.2 步長的選擇34-35
• 2.3.3 擴(kuò)散系數(shù)的計(jì)算35-36
• 2.4 重要參數(shù)介紹36-38
• 2.4.1 非鍵截?cái)嗑嚯x36-37
• 2.4.2 周期性邊界條件37-38
• 2.5 本文使用的軟件介紹38-39
• 2.6 分子模擬在研究吸附和擴(kuò)散中的應(yīng)用39-42
• 2.6.1 蒙特卡洛方法在研究吸附中的應(yīng)用40
• 2.6.2 分子動(dòng)力學(xué)方法在研究擴(kuò)散中的應(yīng)用40-42
• 第三章 甲烷在構(gòu)造煤中吸附的分子模擬42-65
• 3.1 模型的構(gòu)建42-46
• 3.2 計(jì)算方法和勢能參數(shù)46-47
• 3.3 可靠性驗(yàn)證47-51
• 3.3.1 亨利常數(shù)和吸附熱47
• 3.3.2 構(gòu)造煤和相應(yīng)的原生結(jié)構(gòu)煤對(duì)甲烷的吸附熱47-51
• 3.4 結(jié)果與討論51-63
• 3.4.1 構(gòu)造煤和相應(yīng)的原生結(jié)構(gòu)煤對(duì)甲烷的吸附量51-54
• 3.4.2 溫度對(duì)構(gòu)造煤吸附甲烷的影響54-58
• 3.4.3 煤化程度對(duì)構(gòu)造煤吸附甲烷的影響58-60
• 3.4.4 水分對(duì)吸附的影響60-63
• 3.5 本章小結(jié)63-65
• 第四章 甲烷在構(gòu)造煤中擴(kuò)散的分子模擬65-75
• 4.1 研究方法65-66
• 4.2 擴(kuò)散系數(shù)的計(jì)算66-70
• 4.2.1 分子動(dòng)力學(xué)模擬的初始構(gòu)型66-67
• 4.2.2 甲烷在構(gòu)造煤和相應(yīng)的原生結(jié)構(gòu)煤中的擴(kuò)散系數(shù)67-70
• 4.3 活化能的計(jì)算70-73
• 4.3.1 活化能的計(jì)算方法70-71
• 4.3.2 甲烷在構(gòu)造煤和相應(yīng)的原生結(jié)構(gòu)煤中擴(kuò)散的活化能71-73
• 4.4 本章結(jié)論73-75
• 第五章 總結(jié)與建議75-77
• 5.1 全文總結(jié)75-76
• 5.2 工作建議76-77
• 參考文獻(xiàn)77-85
• 致謝85-86
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表論文86

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