天然氢开采和集输中的相平衡分析

为了提升对天然氢这种新兴能源的开采工艺和长距离输送技术,着眼于天然氢产物作为多组分混合物复杂的热力学性质,旨在探索根据多组分相平衡结果提升天然氢开采、提纯和管道运输工艺.从热力学第二定律入手,遵循系统总能减少、总熵增加的准则,借助昂萨格倒易关系构造物质的量和体积随时间的演变格式,形成一套热力学守恒的闪蒸计算方法,并证明该算法的能量递减性质.在此迭代型闪蒸计算方法的基础上,建立热力学嵌入的神经网络架构.基于热力学分析提取环境温度和总摩尔浓度作为环境参数,选用各组分的临界温度、临界压力、偏心因子和摩尔分数作为组分热力学特征,共同构成输入参数.输出层将得到相稳定测试的结果,即平衡态时流体中总的相数以及相分离计算的结果,可得平衡态时气液两相的摩尔组成,从而应用于多组分相平衡的快速预测.利用迭代型闪蒸算法获取足量数据用于机器学习模型的训练与神经网络架构的调参,设计了高度自适应的深度学习算法和相应的深层神经网络结构,采用机器学习技术,调优网络超参和基本架构,获得提升神经网络的训练效率和预测精度.借助这套准确、快速的相平衡预测技术,分析不同天然氢产物组成下的相平衡状态分布,并为氢气提纯和二氧化碳分离封存提供可行性工艺建议.将相平衡快速预测模型耦合到输气管道智能调控系统中,实现对天然气管道掺氢输送中管道运行安全的智能检测和满足输气供应需求的智能调控.

规整填料塔中精馏过程的三维模拟(Ⅰ)物理模型和模型方程

建立了能描述规整填料塔中液体三维流动和混合的精馏过程混合池模型。对模型方程组的封闭性作了分析，并给出模型中液体流动分布和混合参数的计算方法。针对完整的三维混合池模型在求解计算上的费时，提出了适用于规整填料塔精馏过程的简化三维混合池模型和求解该方程的两步法。

填料塔中液体轴向返混行为对精馏分离效率影响的理论解

合理地作了一些近似假设，得到能反映液相轴向返混行为的等板高度理论计算公式。精度分析表明，等板高度近似理论解误差很小。在推导理论解的过程中，提出返混影响精馏分离效率的准数———返混特征准数，表明液相轴向返混行为对精馏分离效率的影响随液相轴向返混系数的增加而增加，而随汽相总传质单元高度和液相轴向有效流速的增加而减小。

板波纹规整填料塔中液相混合行为

The liquid mixing behavior was investigated by pulse tracing injection in a column containing Mellapak 250Y structured packing.A one-dimensional model and a two─dimensional model were used to describe the liquid mixing process.The axial and radial eddy diffusion coefficients were obtained using optimization method.Correlation equations for both axial and radial eddy diffusion coefficients were obtained.

金属波纹板规整填料塔中液体有效流速

填料塔以压降小、通量大、持液量小、分离效率高等优点广泛应用于精馏和吸收等单元操作中。填料塔中液体的流体力学行为对精馏等传质过程有重要影响,而液体在填料塔中的有效流速是液体流体力学行为的重要参数。例如描述填料塔中液相返混通常用一维或二维扩散模型,其中的有效流速就是重要的方程参数;要精确描述填料塔中相界面的传质行为,液相的真实流速也是关键性的参数。

Monte Carlo法跟踪随机运动颗粒中吸附动力学的快速计算方法

ＭｏｎｔｅＣａｒｌｏ法模拟颗粒随机运动体系的吸附过程仿真性强，但机时消耗严重。本文提出了一种在相同精度下比六点隐式差分格式数值求解吸附动力学方程的常规方法快５０００～２００００倍的吸附动力学快速计算新方法，并对实例做了计算比较。

页岩纳米有机质孔隙中的润湿性研究

针对页岩有机质分子模型不能真实表征储层孔隙属性,纳米有机质孔隙中润湿性难以判别等问题,进行页岩气藏纳米孔隙中基于真实干酪根有机质模型的微观润湿性研究.利用分子动力学方法,建立传统有机质模型以及真实干酪根有机质模型,从模型可视化、空间密度分布特征以及势能机理等方面分析干酪根孔隙中页岩气与水的润湿行为特征,同时考虑体系温度、孔隙尺寸以及水桥尺寸对润湿状态的影响.结果表明,传统有机质模型由于过于理想的假设,难以对水在有机质中的润湿行为进行精确描述.干酪根模型以其复杂的分子结构、多样的元素种类,在有机质的润湿性刻画中有着更好的表现.纳米有机质孔隙中的水相分为高密度区域与低密度区域,其中低密度区域中的水分子分布在气液两相的界面处,所以此部分水分子受到较弱的氢键相互作用,使其更容易发生逸散并且更易被干酪根基质的相互作用所捕获,从而在有机质表面进行吸附.此行为进而表现为一种水分子亲和干酪根基质的润湿假相,而水相的高密度区域部分却表现为非润湿的状态.

颗粒活性炭对味精溶液里色素和铁的吸附特性

研究了颗粒活性炭吸附味精中和液里色素和铁的吸附平衡特性，测定了在１５℃，３０℃和５０℃等温度下色素和铁的吸附平衡等温线，分别用Ｈｅｎｒｙ方程、Ｌａｎｇｍｕｉｒ方程和Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈ方程对色素和铁的吸附平衡等温线进行拟合，用最优化方法得到３种方程在各温度下的拟合参数，并对生产中最佳温度的选取进行了讨论．

量子化学研究多硫化氢的分子结构和红外光谱（英文）

利用二阶微扰理论在6-311+G**的基组上对硫在酸性气体H2S中溶解得到的9种多硫化氢进行了几何构型全自由度优化,并计算键长、键角、振动频率,同已有的红外光谱试验数据进行了比较,计算结果与试验结果一致。同时指认了9种分子的所有振动模式。

量子化学研究多硫化氢的热动力学性质（英文）

用CBS—Q和G3MP2方法计算了气态多硫化氢的热动力性质。结合等键反应计算出了9种多硫化氢在298K下的标准生成焓。并且在已有的振动频率上，用统计力学方法计算了O～4000K下的热容和熵。通过计算发现生成焓与已有的试验数据高度一致，随着化合物链的增长，生成焓几乎呈线性增长，但H2S3分子的生成焓却突然减小。

高温下钙蒙脱石膨胀特性的分子动力学模拟

高温下蒙脱石的膨胀特性在核废料深部封存、二氧化碳封存及页岩气开发等应用中有着重要影响,但相关机理尚不明确.本工作使用分子动力学模拟为技术手段计算5 MPa和298—500 K等条件下,1.40—4.00 nm晶面间距(d)的一系列饱和钙蒙脱石的膨胀压力.以模拟所得的数值结果为依据,基于水化效应、双电层效应和离子关联效应等模型推演膨胀压力随温度与d的变化规律,并与相应的实验数据进行对比.模拟结果表明,当d较小时,因为高温会弱化水化力的强度,钙蒙脱石膨胀压力震荡的幅度降低,同时水化力作用的d的范围减小.当d较大时,因为高温强化离子关联效应,膨胀压力降低,同时双电层力的作用的d的范围增加.在较高温度和较大d时,膨胀压力为收缩力,阻碍膨胀.这些膨胀压力的变化规律与前期钠蒙脱石体系的研究类似.然而,通过对比两种蒙脱石体系的模拟结果,发现两种体系存在显著的差异—钙蒙脱石比钠蒙脱石更难膨胀到较大的d.此模拟结果与前人实验观测的结果相符.我们进一步将此差异归于钙蒙脱石的离子关联效应要远大于钠蒙脱石.有别于分子模拟中对于离子关联效应的精确描述,连续化的Poisson-Boltzmann方程因为忽略了离子关联效应,从而无法表达出与两种体系模拟结果都相吻合的膨胀压力变化规律.

同位网格界面速度插值方法研究

讨论了同位网格下,离散的连续性方程、动量方程及标量方程中控制容积界面上速度的计算方法.分别采用动量插值技术和线性插值技术计算了动量方程和标量方程的离散系数中的界面速度,并将两种方法得到的计算结果进行了比较.指出当采用线性插值技术去计算离散方程系数中的界面速度时,离散系数中的质量残余必须等于0,这样才能保证数值解的准确性和计算的收敛速度.

页岩凝析气藏相平衡的快速准确计算方法

对页岩油气藏中复杂流体的相平衡计算需要建立考虑毛细作用效应的先进的数值模型,并设计出快速可靠的算法以应对实际工况中储层流体包含多达数十种组分的复杂情况.本文将基于适合页岩油气藏常见组分的真实流体状态方程,即Peng-Robinson状态方程构建具有热力学一致性的VT型孔观相平衡计算体系.通过引入描述毛细压力做功的数学模型实现对页岩流体热力学性质更准确的刻画.结合扩散界面模型建立动力学演化格式,采用成熟的凸分裂方法求解摩尔数和体积分数的演变,从而描述相平衡的动态过程.在此基础上,本文开发了一套具有自适应性的深度学习算法,设计了独特的双网络结构以实现对不同流体中不同组分的广泛适用性.该神经网络的输入和输出参数均在热力学分析的基础上选取关键的热力学性质参数,并进行了全面的超参调试以确定最合适的网络架构和最后形成的预测模型的基本结构,且通过多种深度学习技术解决了过拟合问题,在显著加速了传统的基于迭代方法的闪蒸计算的同时保证了相平衡状态预测的准确性,得到了较好的预测效果.相分离判定自动整合在预测结果中,且从最终预测结果可以显著地捕捉到毛细作用的影响.这一套快速、准确、可靠地基于深度学习算法的页岩油气孔观相平衡计算体系可以为后续的多相流动模拟提供具有物理意义的相分布初场,确定系统内各个阶段的相数,并可以作为构建具有物理守恒性的多相数值模型的热力学基础.

基于SPH方法与能量最小化算法平衡态模拟分析

文章基于双阱势(double-well potential,DWP)函数构造流体动力学中的能量泛函,形成一个能量最优化模型。利用光滑粒子流体动力学(smooth particle hydrodynamics,SPH)方法对模型进行格式离散,以梯度下降法进行求解,然后对系统能量的平衡态问题进行讨论和研究。以2个算例对模型进行数值验证,模拟结果表明,该模型可以很好地体现光滑粒子动力学方法和梯度下降法的有效性和准确性,为基于范德瓦尔斯方程或彭-罗宾逊方程的相平衡问题的研究奠定基础。

Calculation of cell face velocity of non-staggered grid system

In this paper,the cell face velocities in the discretization of the continuity equation,the momentum equation,and the scalar equation of a non-staggered grid system are calculated and discussed.Both the momentum interpolation and the linear interpolation are adopted to evaluate the coefficients in the discretized momentum and scalar equations.Their performances are compared.When the linear interpolation is used to calculate the coefficients,the mass residual term in the coefficients must be dropped to maintain the accuracy and convergence rate of the solution.

双孔双渗介质中气体流动的POD模型研究

将特征正交分解(POD)方法引入到页岩气流动双孔双渗模型的数值计算,建立了POD投影模型。在建模过程中发现将气体在基质和缝网中的流动控制方程分别进行POD投影的方式,虽然在数学上正确且满足基质或缝网的质量守恒,但会人为地在基质与缝网间附加一个质量传递投影项,无法保证整个流动系统的质量守恒,从而影响了POD模型的健壮性和精度。针对此问题提出了满足基质-缝网总体质量守恒的POD建模方式,在保证高精度(平均相对偏差约0.8%)和快速计算(计算速度提高720倍)的同时,大大提高了POD模型的健壮性。

油藏单相流动POD低阶模型研究

针对油藏模拟的高精度快速计算需求,本文将特征正交分解方法应用于对油藏模拟控制方程的降维处理,建立了油藏单相流的POD低阶模型。在90个算例中,对渗透率均匀/非均匀分布、各向同性/各向异性等情况,所建立的油藏单相流POD模型的计算结果相对于有限差分法计算结果的偏差在10^(-6)~10^(-3)量级范围内,计算时间约为有限差分法的1/3000~1/9000。

甲烷在干酪根中的吸附及扩散特性

本文采用巨正则蒙特卡罗和分子动力学方法研究了甲烷在两种干酪根(kerogenⅡ-A和kerogenⅡ-D)中的吸附和扩散特性,分析了温度、压力、埋藏深度及混有二氧化碳时对甲烷吸附扩散的影响。结果表明:甲烷吸附量随着地层温度的增加而减小,随着地层压力的增加而增大,且压力对吸附量的影响比温度大,随着埋存深度的增加先增大后减小,在3~4 km时达到最大值;同时甲烷的扩散系数也随着埋存深度的增加先增大后减小;当甲烷中混有二氧化碳时,甲烷的吸附量明显小于单组分甲烷的吸附量,表明二氧化碳将抑制甲烷的吸附,也将促进甲烷的扩散,这说明注二氧化碳技术对于页岩气的开发有利。研究结果将在分子层面为页岩气的宏观勘探开采提供理论指导。