甲烷水合物微觀形成過程模擬反應(yīng)裝置，采用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法研究濕ZIF-8及ZIF-67床層的天然氣存儲機(jī)理。通過模擬濕ZIF-8及ZIF-67床層中甲烷水合物的成核及生長過程，探究兩種MOF材料對水合物的影響規(guī)律，并進(jìn)一步深入床層中的吸附-水合協(xié)作及競爭機(jī)理。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：與ZIF-67相比，ZIF-8材料對甲烷分子的吸附能力更強(qiáng)，最終會(huì)誘導(dǎo)更多的甲烷和水分子轉(zhuǎn)化為水合物，有助于吸附-水合耦合儲存天然氣。但是與此同時(shí)，ZIF-8對甲烷的吸附作用亦會(huì)通過促進(jìn)溶液中的甲烷分子向ZIF-8固體表面運(yùn)移并聚集成納米氣泡，從而降低溶液中甲烷濃度、削弱水合物形成驅(qū)動(dòng)力、顯著延長水合物的生長時(shí)間。ZIF-67對甲烷分子稍弱的吸引力可在不明顯降低溶液中甲烷濃度的基礎(chǔ)上，通過促進(jìn)水和甲烷分子的運(yùn)移及自組裝行為從而加速水合物的快速成核及生長，但是體系最終的水和甲烷轉(zhuǎn)化為水合物的比例會(huì)明顯低于濕ZIF-8固定床體系，即其吸附-水合耦合天然氣存儲效果要略差于濕ZIF-8床層體系。

甲烷水合物微觀生長過程：

黃色球體—甲烷分子；紅色—已形成的水合物籠狀結(jié)構(gòu)；綠色—新形成的水合物籠子

通過對比濕ZIF-8及濕ZIF-67固定床體系中水合物的微觀動(dòng)力學(xué)生成過程及平衡狀態(tài)，可以得出：具有優(yōu)異甲烷吸附性能的材料可表現(xiàn)出更好的吸附-水合耦合天然氣存儲效果，但是同時(shí)可能亦會(huì)對水合物生成動(dòng)力學(xué)方面起到一定的負(fù)面作用。因此，在后續(xù)進(jìn)一步篩選適用于吸附-水合耦合天然氣存儲技術(shù)的多孔材料的過程中，建議從干材料自身的天然氣吸附特性及固定床整體的水合物生成動(dòng)力學(xué)兩方面進(jìn)行綜合考量。

氣體水合物是由水和氣體組成的晶體狀包絡(luò)化合物，是·類由許多低分子質(zhì)量的氣體，如石油和天然氣組分中 C~C的輕、二氧化碳、硫化氫、環(huán)氧之烷、四氫味喃以及某些惰性氣體，在低溫高壓條件下與水形成的具有籠形結(jié)構(gòu)的冰狀晶體，稱為籠形水合物 (Clathrate Hydrates)，簡稱水合物。

水合物的生長和分解規(guī)律對開發(fā)海洋天然氣水合物資源,實(shí)現(xiàn)深水天然氣水合物氣液固多相管道輸送都具有重要意義。為了進(jìn)一步揭示水合物的生長和分解特性,本文采用高壓全透明反應(yīng)釜裝置,進(jìn)行了溫度0～30℃、壓力3.35～8.16MPa和攪拌速率200～1000r/min范圍內(nèi)的16組甲烷水合物生長和分解動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明:實(shí)驗(yàn)過程可分為水合物誘導(dǎo)期、快速生長期、緩慢生長期以及分解期這4個(gè)階段。在水合物快速生長階段,獲得了溫度、壓力、攪拌電機(jī)扭矩和水合物生長速率隨時(shí)間的變化規(guī)律,觀察到了水合物顆粒的均相和非均相分布狀態(tài)。通過加熱促使水合物分解,揭示了分解階段溫度、壓力和分解速率等關(guān)鍵參數(shù)的變化規(guī)律以及水合物塊的分解形態(tài)。分析表明,水合物顆粒的分布狀態(tài)與水合物漿液的流動(dòng)性直接相關(guān);水合物塊的靜態(tài)分解過程受到分解氣傳質(zhì)控制。