天然气水合物概念和结构

0对酒当歌0 2023-03-17 14:31

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  ______純銀se

  2023-03-17 15:06

  1.天然气水合物概念

  天然气水合物（Natural Gas Hydrate），是指由主体分子（水）和客体分子（甲烷、乙烷等烃类气体分子，及氮气、二氧化碳等非烃类气体分子）在低温（-10～28℃）、高压（1～9.0MPa）条件下，通过范德华力相互作用，形成的结晶状笼形固体络合物。

  2.天然气水合物结构

  天然气水合物是由氢键水笼立体叠置形成的晶体化合物（图14-3）。天然气水合物是笼状物，意味着主体的水分子有可容客体气体分子进入的架构空间。空的笼形架构是不稳定的，需要捕获气体分子以保持笼形晶体的稳定性。水合物紧凑的结构可使天然气高效叠置。标准温压条件下（1kPa，20℃），1体积的天然气水合物可膨胀150～180倍。

  水合物可形成0.48～0.90nm 大小的天然气分子赋存空间。存在3种不同的结构类型，一般地，结构的形成取决于最大客体分子的大小。甲烷和乙烷可单独形成结构Ⅰ（sⅠ）水合物；丙烷和异丁烷可形成结构Ⅱ（sⅡ）水合物，它可单独或与乙烷和甲烷结合存在；仅当甲烷存在的情况下，正丁烷和新戊烷可形成sⅡ水合物，也可与较大的烃分子（C5—C9）形成结构H（sH）水合物。

  3.天然气水合物化学式

  天然气水合物分子式为MnH2O，其中M是以甲烷气体为主的气体分子，n为分子数。用水分子的平均空穴半径减去水分子范德华半径（1.45×10-10m）（表14-2），可以计算出客气体分子在每个空穴中可利用的最大空间半径。表14-3列举了各种客气体分子所对应的天然气水合物形成体的空穴大小比率；在不存在其他气体混合的条件下，处于较小空穴中的客气体分子同样也可以进入较大的空穴（“分子笼”）。如有少量其他类型的气体分子混入，则天然气水合物的结构就可能发生改变。Sloan（1990）预测，在甲烷中混入0.5%的丙烷，就足以导致天然气水合物从sⅠ型结构向sⅡ型结构转变。

  图14-3 天然气水合物晶体结构

  （据Collett et al.，2009）

  5种类型的水笼构成了天然气水合物的结构，包括五角十二面体、四型十二面体、*面体、不规则十二面体和二十面体。目前已经观察到3种结构类型：结构Ⅰ、Ⅱ和H，图中列出了每个水合物结构中表示客体的天然气分子

  表14-2 天然气水合物的声学性质

  注：1ft＝0.3048m。
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