利用MS模拟天然气（甲烷）在多孔介质中的吸附

天然气蕴藏在地下多孔隙岩层中，包括油田气、气田气、煤层气、泥火山气和生物生成气等，也有少量出于煤层，主要用途是作燃料，可制造炭黑、化学药品和液化石油气，是优质燃料和化工原料。天然气由气态低分子烃和非烃气体混合组成，主要成分烷烃，其中甲烷占绝大多数，因此，本教程采用甲烷代表天然气模拟多孔介质中的吸附。

模型建立：

CH4：打开建立的Project，从菜单栏中选择 File|Import... 点击 Import 按钮打开 Import Document 对话框，选择Structures/organics 然后选择 methane.msi，最后点击 Open 按钮。

石英：右键后点击Import，然后选择Structure，进入metal-oxides文件夹；在metal-oxides文件夹中找到并打开SiO2_quartz.msi文件

得到石英原胞如图所示，

具有原胞后可对结构进行超胞化和截面，如图点击Build—Symmetry—Supercell：

弹出Supercell设置会话框，根据需要自行设置三个方向大小，这里以3×3×3进行观察，点击Create Supercell完成超胞化

接着如图点击Build—Surfaces—Cleave Surface进行截面设置，弹出的Cleave Surface会话框里进行面选择、截面结构起始、厚度等设置，Cleave plane（h k l）按照自己需要或者文献设置，这里设为（1 0 0）；Top 是从什么位置开始截面；Thickness为截面结构的厚度，这里设置为两层厚；

截面后的结构只在U、V方向上可以继续进行超胞化

截面并超胞化的片层可以用于建层结构，如图点击Build—Build Layers

在Layer1和Layer2的Source documents框中选择上面的片层结构

在Layer Details里可以设置层间距和方向

设置完成后点击Build得到精确的狭缝模型。

几何优化：

首先，打开需要的文件，点击

Forcite图标，选择Calculation功能，弹出如下会话框；

在Task栏选择Geometry Optimization功能，Quality设置为Ultra-fine，点击Task后的more弹出Geometry Optimization optimization会话框；

在Geometry Optimization optimization会话框里设置Algorithm算法为Smart，实际模拟时可参考文献中的信息来选择；对Convergence tolerance收敛公差进行设置，点击Quality设置为Ultra-fine，后面的Energy、Force、Displacement几个参数自动进行调整；设置Max.iterations最大迭代次数为50000，其余信息可以不再设置；关闭会话框。

点击Forcite Calculation的Energy栏，设置Forcefield力场、Charges电荷、Quality、以及Summation method；

Forcefield可以参照文献中常用的COMPASS力场，也可以使用Universal力场，有文献使用过作为支撑就没太大问题；Charges暂时使用Forcefield assigned，为了避免麻烦计算时最方便的就是Use current（默认）；Quality设置为Ultra-fine，对应的是Summation method的精度，Electrostatic和van der Waals参照文献使用Ewald和Atom based，点开More可以进行查看不同精度时各参数设置的差异，查看完关闭会话框。

点击Forcite Calculation的Job Control栏进行计算电脑选择、计算文件命名，以及计算核数选择；Job description后的Automatic如果勾上就自动使用文件名，勾掉后可以自己命名；点击More后把Updata Structure勾选上，关闭会话框后，点击Run进行几何优化计算得到优化完成的结构。

吸附模拟：

打开优化完成的骨架与吸附质模型（**.xsd），从工具栏中点击 Sorption 工具按钮

（或者依次点击Modules—Sorption—Calculation），选择 Calculation打开 Sorption Calculation 对话框。

Task 选择 Fixed pressure，Method 选择 Metropolis 方法，Quality先不设置，会根据后面的设置而变化；在Sorbates栏，点击 Molecular 选择之前优化过的CH4.xsd；Fugacity（kPa）为逸度，超高温高压下需要根据状态方程计算，这里使用1000kPa试算。

点击 Task 后面的 More... 按钮，打开 Sorption Fixed pressure 对话框。设置平衡步数（Equilibration Steps）和生产步数（Production Steps），可以参考文献中别人使用的步数，这里以1000000和3000000为例。温度设置为 313.15 K，正式计算时设置为储层温度，勾选上返回最低能量构象(Return lowest energy frames)，选择后会返回一个Study Table文件，且可选择返回的构象数，这里返回10个构象，同时，可勾选上返回快照(Return snapshots)，根据设计的步数将在Study Table中返回结构轨迹文件，这里的步数设置越小，返回的构型图越多，越占内存，设置完成关闭对话框。

在 Energy 栏中选择力场，可根据文献选择COMPASS以及Universal等力场，设置 Charges 为 Use current，设置 Quality 为 Ultra-fine，确保 Ewald 为 Electrostatic 的加和方法，而 van der Waals 加和方法设置为 Atom based。Constraints一般未进行设置。

在 Properties 栏中，确保选上了 Energy distribution，Density field 和 Energy field。设置Sample interval 为 50，设置 Grid resolution 为 Medium，Grid interval 自动会变为 0.4 Å。

在 Job Control 任务栏 Gateway location 中选择适当的路径，自己的电脑就选择My Computer。Job description后的Automatic可勾去，同时在框中进行自己命名。点击More进行更新设置，勾选上Update structure等几个特性，Update every ** seconds可设置短一些，默认60.0s，设置完毕关闭对话框。点击 Run 按钮，模拟正式进行，关闭对话框。

吸附模拟完成，生成以下文件：

•*** -Calculation：模拟设置细节，在***.xsd文件激活时完全为设置的状态；

•***.txt：模拟文件，文件中前面的Fixed pressure calculation parameters、Energy parameters、Metropolis Monte Carlo method parameters、Fixed pressure calculation为设置的参数等信息；Loading为加载的分子，一般使用Average loading，可进行吸附量换算；Isosteric heats为吸附热；

•*** Etotal.xcd：模拟过程中的总能量变化图；

•*** Loading.xcd：显示瞬时载荷和平均载荷(每单位元胞内的分子数)；

•***.xsd：带有场分布的骨架图；

•Status.txt：模拟过程中显示初始设置和初始信息，计算结束后显示“Sorption calculation complete”

•*** Energy.xcd：显示计算得到的能量分布图；

•*** Low energy.std：显示一系列最低能量的构型，可选取最后几张图来进行后续计算分析；

•*** Snapshots.std：显示计算过程中的快照。

当设置了足够的 MC 步数时，上述每一个曲线图均会收敛于某一个最终值。

注意：Status.txt，*** Energy.xcd，*** Etotal.xcd，*** Loading.xcd 和***.xsd 等临时文件仅与模拟时间有关。当模拟结束后，他们可被忽略。输出文 ***.txt，***.std包括了吸附模拟的最终结果。

吸附模拟分析：

1、吸附热

吸附热：可以准确表示吸附现象的物理或者化学本质以及吸附剂的活性，吸附能力的强弱。吸附过程产生的热为吸附热，吸附热的大小可以衡量吸附强弱的程度，吸附热越大，吸附越强。模拟得到的吸附热单位是kcal/mol，与kJ/mol换算时需要乘上4.186，一般使用Average栏中的值；研究时可对不同压力条件下得到的吸附热进行统计分析。

2、能量分布图

可进行不同条件下的能量分布分析，试算的能量分布图如下图所示：

kcal/mol与kJ/mol换算时需要乘上4.186，文献中能量分布图如下图所示：

3、吸附量

使用Materials Studio软件进行吸附模拟时，吸附计算结束得到的是模型中吸附的分子个数，其单位是molecular/u.c，文献中通常使用以下公式计算气体的吸附量。

式中，N表示吸附量，mmol/g；Nam表示分子个数；Na表示晶胞个数；Ms为单个晶胞的分子量，可把Na*Ms一起看作整体，即骨架的分子量，而骨架分子式可在Properties里查看；

通过上式可计算单位为mmol/g的吸附量，文献中的吸附量如下图所示：

也可将单位换算为mmol/m2：

式中，S表示晶胞的表面积，m2。

分子模拟中，组分i在孔内的总气量为

式中，<Ni>表示孔内组分i粒子数的系综平均值。

部分文献采用mmol/m2表示吸附量，如下图所示：

本教程仅以甲烷在石英狭缝中吸附作为示范，更深入地，可研究油气等混合物在不同缝间距狭缝、不同孔径的孔中吸附。

最后，有需要欢迎通过微信公众号联系我们。

微信公众号：320科技工作室。

利用MS模拟天然气（甲烷）在多孔介质中的吸附相关推荐

毕业了——课题代码开源（三）使用Palabos的自由表面流模型仿复杂多孔介质中的液滴渗透
简介对于多相流模拟,Palabos中也是实现了很多,比如shanchen模型做的瑞丽-泰勒不平衡和两相混合器,还有helee模型做的双液滴碰撞,怎么说呢,我都跑过,但是,由于我的体系是气体和水,密度 ...
为多孔介质的当量直径_气体在微多孔介质中流动和对流换热研究
中国工程热物理学会传热传质学学术会议论文编号: 103498 气体在微多孔介质中流动和对流换热研究黄寓理姜培学胥蕊娜 (热科学与动力工程教育部重点实验室,清华大学热能工程系,北京 1000 ...
Fluent多孔介质模拟固体区域(观点）
简介 Fluent多孔介质仿真的具体步骤可以参考[简单学微课堂]Fluent多孔介质应用需要注意多孔介质区与流体介质区都属于"流体"材料.二者的交界面一定要设成interior ...
COMSOL列管反应器模拟（包括多孔介质催化剂、化学反应、对流扩散、传热和对流换热）
老规矩,废话不多说,先上仿真结果图. 一.仿真结果图 1.1 温度分布 1.2 各物质浓度变化曲线 1.3 反应器和油浴器温度曲线 1.4 反应速率变化曲线 1.5 ...
autobank渗流分析计算教程_仿真百科 | 多孔介质渗流现象
文章来源:安世亚太官方订阅号(搜索:Peraglobal) 渗流是指流体在多孔介质内的流动.渗流现象广泛存在于人造材料和自然界中.如地下水的开发.石油的开发.天然气收集.煤炭的开采等都需要对渗流进行分 ...
matlab多孔介质蒸发,确定多孔介质流动参数的格子Boltzmann方法
[实例简介] 好文献大家一定要顶,不要错过啊!确定多孔介质流动参数的格子Boltzmann方法 4期钱吉裕等:确定多孔介质流动参数的格子 Boltzmann方法 657 3多孔介质的构造及边界条件 ...
为多孔介质的当量直径_多孔介质流建模简介
拥有一款先进的多孔介质建模工具,是许多行业的刚性需求.COMSOL Multiphysics® 软件 5.5 版本新增的附加产品--多孔介质流模块,可以满足众多行业的需求.使用该模块可以定量研究多孔介 ...
Star CCM+多孔介质仿真（二）——阻力系数的计算和设置
目录试验测量经验公式软件参数设置方法本文主要解决的问题是如何确定多孔介质的惯性和粘性阻力系数. 试验测量通过实验测出多孔介质的压降和流量的多组数据: 根据流通面积将流量换算成表观速度: 根据 ...
二十、多孔介质模型案例
1 概念介绍多孔介质就是固体物质内部和表面有许多孔隙,如海绵等,由固体物质组成的骨架和由骨架分隔成大量密集成群的微小空隙所构成的物质.多孔介质内的流体以渗流方式运动. Fluent自带多孔介质模型 ...
FLUENT多孔介质数值模拟设置【转载】
转载自:http://zhengjun0228.blog.163.com/blog/static/71377014200971895419613/ 多孔介质条件多孔介质模型可以应用于很多问题,如通过 ...

利用MS模拟天然气（甲烷）在多孔介质中的吸附

利用MS模拟天然气（甲烷）在多孔介质中的吸附相关推荐

最新文章

热门文章