摘要
随着我国经济的快速发展，我国的能源消耗量日益增加，导致一系列能源短缺和环境污染的问题。为响应国家发展“低碳经济”的号召，新能源的利用显得尤为重要。天然气水合物作为一种新能源，成为各国学者研究的热点。煤层气是一种非常规天然气，其储量丰富，但由于技术的限制，煤层气中的甲烷没有得到合理利用，造成资源大量浪费。采用水合物法分离气体可以提高煤层气的利用率，且相对传统的气体分离方法有独特的优势。 四丁基溴化铵（TBAB）半笼型水合物相对于Ⅰ型和Ⅱ型水合物在相同条件下具有良好的稳定性，其相关实验已得到充分研究，但尚未有人研究其微观结构的动力学机理。本研究采用分子动力学模拟的方法，分析了TBAB半笼型水合物内部的微观结构，基于分子动力学第一性原理，运用蒙特卡洛方法将煤层气中的气体作为客体分子填充到水合物中，分别构建单组分气体水合物、双组分气体水合物和三组分气体水合物模型，对模型进行优化后，在正则系综（NVT）下进行分子动力学模拟，通过分析最终构象、径向分布函数、均方位移、氢键及相互作用能等参数，研究温度、客体分子占有率和客体分子间相互作用等因素对水合物稳定性的影响，为煤层气的开发和利用提供理论支撑。本文的主要研究内容及结论如下： （1）设置温度分别为220K、240K、260K、280K和300K时，通过模拟分析水合物的稳定性差异。当水合物处于低温状态时，受到水分子间氢键作用的束缚，客体分子在水合物笼内运动，水合物笼结构保持完整，对称性良好，说明低温有利于水合物稳定存在； （2）模拟四种晶穴占有率对水合物稳定性的影响。分别设置占有率为100%、75%、50%和25%，发现当晶穴占有率在75%以上时，水合物呈现良好的稳定性；晶穴占有率低于50%时，水合物稳定性会迅速下降； （3）模拟甲烷、氮气、氧气分别充当客体分子时，三种水合物在相同条件下的稳定性差异。通过对比发现，甲烷水合物的稳定性相对较好，这是由于甲烷分子的大小更接近水合物空笼的尺寸，对空笼的支撑效果更好，使得水合物整体的稳定性提高； （4）构建四种不同比例的甲烷、氮气双组分水合物，通过分子动力学模拟，对比分析四种类型水合物的稳定性差异，发现44CH4+4N2的体系下形成的水合物最稳定，但并非甲烷的浓度越高，双组分水合物的稳定性越好，还与CH4和N2之间的相互作用有关； （5）通过模拟对比四种不同比例的甲烷、氮气、氧气三组分水合物的稳定性，发现当水合物都处于稳定状态时，5CH4+14N2+29O2比例的水合物稳定性最好；当水合物处于分解状态时，29CH4+14N2+5O2比例的水合物分解程度最低。
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