Численное моделирование термодинамических функций и фазовых равновесий в системах вода - водород - этан/метан/аргон

• Автор: Жданов, Равиль Камильевич
• Шифр специальности: 02.00.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 113 с. : ил.

Оглавление
Введение
Глава 1. Обзор литературы
1.1. Клатратные гидраты
1.2. Основные этапы исследования гидратов
1.3. Методы численного моделирования гидратов
1.4. Исследование гидратов водорода
1.5. Выводы к первой главе
Глава 2. Теоретическая модель
2.1. Статистико-термодинамическая модель клатратных гидратов
2.2. Модель неидельного газа
2.3. Модель жидкой фазы воды
2.4. Выводы ко второй главе
Глава 3. Численное моделирование
3.1. Потенциал взаимодействия
3.2. Структуры
3.2.1. Структуры КС-1, КС-11 и ГС-1 II
3.2.2. Лед 1^
3.2.3. Лед II
3.3. Расчет фазовых равновесий
3.4. Моделирование структур
3.5. Выводы к третьей главе
Глава 4. Результаты моделирования
4.1. Система вода — метан
4.2. Система вода — водород

4.3. Водород-содержащие тройные системы
4.3.1. Система вода — водород — этан
4.3.2. Система вода — водород — метан
4.3.3. Система вода — водород — аргон
4.4. Выводы к четвертой главе
Выводы
Список литературы

Введение
Актуальность темы исследования. В настоящее время активно идет обсуждение и разработка технологий водородной энергетики [1]. Такая активность вызвана тем, что водород является экологически чистым видом топлива с высокой энергетической емкостью, идеально подходящим, например, для нужд автомобилестроения [2-4]. Значительные усилия тратятся на создание и совершенствование топливных элементов, позволяющих напрямую преобразовывать энергию химических связей топлива в электрическую энергию, минуя малоэффективную стадию процесса горения, которая является основой современных двигателей внутреннего сгорания. Для эффективного использования водорода в качестве топлива требуется разработка технологий его хранения и транспортировки. На текущий момент рассматривается множество различных вариантов: баллоны сверхвысокого давления, гидриды, полимерные соединения, ионные жидкости, углеродные наноматериалы, металлоорганические соединения и пр. Но несмотря на большое количество работ по теме хранения водорода, проблема до сих пор остается не до конца решенной.
Одним из вариантов хранения и транспортировки водорода, который неоднократно предлагался различными авторами, является использование для этой цели клатратых гидратов [5-7], т. к. содержание водорода в них может достигать 5 массовых процента. Однако высокое давление и низкая температура образования затрудняют использование клатратного метода хранения водорода. Но добавление в систему вода — водород более тяжелой молекулы позволяет добиться снижения давления образования. В экспериментах было показано, что присутствие молекул тетрагидрофурана (ТГФ) в системе значительно снижает давление образования гидрата [8].
Клатратные гидраты —это кристаллические соединения включения, в которых каркас хозяина образован из соединенных водородными связями молекул воды, а полости каркаса заняты молекулами гостей без образования химической
гидратов структуры КС-П, получаемых из смеси водород + аргон, было проведено в работе [131]. После изучения состава гидрата, было показано, что в больших полостях находятся кластеры из 4-х молекул водорода, но кроме этого, в больших полостях можно обнаружить и атомы аргона. Стоит отметить группу работ, проведенных Скибой с коллегами по исследованию фазовых равновесий в системах вода — водород — метан [132], вода — водород — этан [133] и вода водород — пропан [134]. В этой серии работ проводилось измерение температур разложения гидратов методом дифферренциально-термического анализа при давлениях до 250 МПа. Также производилось исследование спектров комбинационного рассеяния и изучение получаемых гидратов методом рентгеновской дифракции. В результате этих исследований были получены фазовые диаграммы систем и проведен анализ полученных составов. Но стоит отметить, в этих работах не проводилось изучение двойных гидратов при температурах ниже 0° С.
1.5. Выводы к первой главе
В главе приведен краткий обзор по основным работам, описывающим главные исторические этапы исследований гидратных систем. Из которых становится понятно, что хоть исследование гидаратов продолжается уже продолжительное время, многие аспекты их описания и использования остаются непонятыми.
В первую очередь до сих пор не решен вопрос использования гидратов природного газа для добычи углеводородов, что вызвано недостатком как экспериментальных данных, так и теоретической базы для описания подобных соединений.
Проблема хранения газов, в частности водорода, в клатратных гидратах также, до сих пор, находится на стадии разработки — идет поиск оптимальных веществ, добавление которых, помогло бы снизить давление образования подобных систем. Если влияние молекул ТГФ изучено относительно хорошо, то