A CH4 diffúziógátlásának molekuláris dinamikai mechanizmusa alacsony hőmérsékleten antracit mikrokristályokban

Hosszú Wang

† Biztonsági Tudományok és Mérnöki Iskola, Henani Műszaki Egyetem, Jiaozuo, Henan 454000, Kína

Zhaofeng Wang

† Biztonsági Tudományok és Mérnöki Iskola, Henani Műszaki Egyetem, Jiaozuo, Henan 454000, Kína

‡ Állami kulcsfontosságú laboratóriumi termesztési alap a földgáz- és gázellenőrzéshez, Henan Politechnikai Egyetem, Jiaozuo, Henan 454000, Kína

Xiaojun Li

§ Energiatudományi és Mérnöki Iskola, Henani Műszaki Egyetem, Jiaozuo, Henan 454000, Kína

Yanhui Yang

∥ Erőforrások és Környezet Iskola, Henan Műszaki Egyetem, Jiaozuo, Henan 454000, Kína

Absztrakt

A CH4 alacsony hőmérsékleten történő adszorpciós/diffúziós jellemzőinek megértése (1 CBM tiszta, jó minőségű energia és nyersanyag, amelynek felhasználása az elmúlt évtizedekben nőtt a világon, és fűtőértéke 2–5-szöröse. A becsült CBM-erőforrások, amelyek 2000 m feletti mélységben vannak eltemetve, világszerte körülbelül 256 Tm 3, és ezek nagy részét a volt Szovjetunióban, Észak-Amerikában és az ázsiai-csendes-óceáni térségben osztják el. ezeket az erőforrásokat nem lehet hatékonyan kinyerni és felhasználni a szénágyakból, ez növeli a bányászbiztonságot fenyegető rejtett veszélyeket, mint például a szén- és gázkitörések, gázrobbanások és földalatti tüzek kiváltása. A bányabiztonság előírja, hogy az előkészítő szénágyakat elő kell készíteni, hogy a gáztartalom 8 m 3/t biztonságos kritikus érték alá csökkenjen. 8 A CBM főként a szénpórusok felszínén adszorbeálódik, részben repedésmentesen vagy szénben oldva. d víz. 9 A metánnak a szénmátrixban való szorpciós/diffúziós jellemzőinek feltárása nemcsak a CBM erőforrások becsléséhez és kiaknázásához szükséges, hanem az üvegházhatású gázok kibocsátásának csökkentése érdekében a metán tárolásához is. 10.

Számos, a szerves dús szénre 293,15 K feletti megcélzott adszorpciós izoterm kísérlet bizonyította, hogy a szénpórusokba felszívódó gáz folyamata a fizikai adszorpcióhoz tartozik, és a hőmérséklet és a szorpciós nyomás a két fő külső tényező, amely befolyásolja a szén adszorpciós képességét. 11−13 Általában a CH4 adszorpciós kapacitása a környezeti hőmérséklet növekedésével csökken, és ez a negatív összefüggés nagyobb nyomáson szignifikáns. 14,15 A Huntly szénmező mintavételi eredményei azt mutatták, hogy a gázadszorpciós kapacitás 1 cm 3/g-kal csökken minden 10 K hőmérséklet-emelkedésnél. 16 Ezzel szemben a homogén/heterogén felületeken az adszorpciós kapacitás növekszik a hőmérséklet csökkenésével nagy nyomáson. 17 A Langmuir-egyenletet (egyetlen hely) széles körben alkalmazták a metán szénen történő adszorpciós izotermáinak leírására az egyszerűség és a jó illeszkedési hatás miatt alacsony nyomáson. 18 Ezt követően a továbbfejlesztett Dubinin – Astakhov modell bizonyítottan pontosabbnak bizonyítja a hőmérséklet hatását a szuperkritikus metán adszorpciós affinitására nagy nyomáson. 19−21

A metán-adszorpció és az adszorbens pórusokon történő deszorpció folyamatait alapvetően reverzibilisnek tekintették, de a deszorpciós hiszterézis is különböző mértékben jelent meg. 22,23 Az aktivációs energia szempontjából Nandi és Walker megvitatták a hőmérséklet, a nyomás és a szénmetamorfizmus hatásait a metán diffúziós képességére, és arra a következtetésre jutottak, hogy a diffúziós együttható, amely a minták részecskeméretére is utal, a hőmérséklet-emelkedés. 24,25 Megállapítást nyert, hogy az eredeti pórusok körüli szerves anyagok melegítéssel hőtágulhatnak, ami fokozott gázdiffúziós kapacitást eredményez, és a diffúzió mennyiségének pozitív exponenciális viszonya van a hőmérséklethez. 26 Ezt követően Nie és mtsai. 20–60 ° C-on végezte a CH4 deszorpciós kísérleteket a szemcsés szénen, és megállapította, hogy mind a teljes deszorpciós mennyiség, mind a kezdeti effektív diffúziós együttható növekszik a környezeti hőmérséklet növekedésével. 27 Ezenkívül a diffúziós sebesség (Qt/Q∞) lineárisan összefügg az idő négyzetgyökével (√t) rövid deszorpciós időn belül. 28.

A kísérleti körülmények korlátozzák, az alacsony hőmérsékleten történő gázadszorpció és diffúzió jellemzőiről szóló korábbi szakirodalom (29 A izoterm adszorpciós/deszorpciós tesztek 243,15–303,15 K hőmérsékleten végzett sorozatai azt mutatták, hogy a szénpórusokon keresztüli metán diffúzió nagymértékben gátolt, míg az adszorpció A kapacitás 273,15 K alatt van növelve. 29–31 Ezenkívül az átlagos izoszterikus adszorpciós hő felhasználható a különböző metamorf rangú szén gázadszorpciós affinitásának becslésére. 30 Ezután egy hűtési mód, szárazjéggel hűtőközegként és alkoholként hűtőközegként. katalizátort választottak a fagyasztási maghoz, amelyben a szénminta hűtési sebessége a metán növekvő szorpciós nyomásával fokozatosan gyorsul.32 Ezen túlmenően a mesterséges fagyasztási technológiát is alkalmazták a gyors és biztonságos kőzet keresztmetszetű szén feltárására, és több adszorbeált földgázt (ANG) tárolni, összehasonlítható metán-sűrűséggel a gázabszorpció hatása alapján promóció és diffúzió gátlás alacsony hőmérsékleten. 33,34 Bár számos izotermás teszt a CH4 alacsony hőmérsékleten történő adszorpciójára/deszorpciójára összpontosít, ennek a jelenségnek a molekuladinamikai (MD) mechanizmusával kapcsolatban kevés információ áll rendelkezésre.

Ennek a munkának a célja a CH4 diffúziójának különbségeinek vizsgálata szénen alacsony és magas hőmérsékleten. Az antracit mikrokristályos adszorpciós konfigurációit a GCMC algoritmussal készítettük el. A CH4 adszorpciós izotermáit és izoszterikus hőit 233,15–363,15 K hőmérsékleten kaptuk, és kiválasztottuk az antracit telített adszorpciós konfigurációját. Ezután a Ds diffúziós képességeket kiszámítottuk az MD-szimulációkban a metánmolekulák átlagos négyzetkiszorításának (MSD) alapján. Az MD-k szempontjából feltárja a CH4 diffúzió alacsony hőmérsékleten történő gátlásának lényegét.