[发明专利]一种基于分子模拟的水合物生成模拟方法

说明书

本发明提供了一种基于分子模拟的水合物生成模拟方法，采用计算机模拟软件建立水合物单胞模型，扩胞后获得到水合物超晶胞；设置模拟参数，分别通过能量最小化、预平衡模拟得到稳定构型，施加不同的甲烷浓度进行分子模拟；经分子动力学计算后获得分子轨迹坐标信息，并对分子轨迹坐标进行图像分析和计算分析。上述方法从分子角度上研究改变不同甲烷浓度对甲烷水合物生成分解的影响，研究水合物在海水条件下的形成机理，为水合物的开采提供理论上的指导；新技术利用改变甲烷浓度控制水合物生成速率及生成总量，对海水淡化技术、天然气开采管道防堵、全球总碳值变化规律、二氧化碳海水埋存等均有指导意义。

技术领域

本发明属于天然气水合物生成模拟技术领域，具体涉及一种基于分子模拟的水合物生成模拟方法。

背景技术

水合物是一类在高压与一定低温条件下，由水分子构成刚性笼状结构、再通过晶笼包裹住不同客体气体分子的似冰状非化学计量的包合物，通常其包裹的气体分子通常较小，一般是甲烷、乙烷、氮气、二氧化碳和硫化氢等。随着世界能源总体需求的增加，传统燃料消耗随之增加，传统化石燃料价格也日渐高企，因此，新型能源的开发和选取逐渐成为一个全球性问题，寻找可替代能源成了世界各国学者的重要研究方向。在这个过程中，水合物的开发引起学者们的广泛关注，天然气水合物作为新型能源，具有以下三个优势。

1、燃烧产物为水和二氧化碳，无污染，很清洁。与传统能源煤炭相比，不会产生有害健康的硫化物和烟尘，有效减少空气中悬浮颗粒物的百分比，研究表明，可同比降低87.63％的可入肺颗粒物(PM2.5)百分比，对减轻环境污染意义明显；2、能量密度大，热值相对于化石燃料而言高很多，具有良好的转化率，转化率的提升可以减少二氧化碳排放，与传统能源煤炭进行对比，在释放相同热值的情况下，每万立方米的甲烷水合物可以减少二氧化碳排放量约43.36吨，对我国使用天然气水合物作为新型能源有重要意义；3、世界探明储量巨大，根据全球海底水合物稳定带中沉积物的孔隙体积推断世界海洋天然气水合物的资源总量≥1.05×10¹⁵m³，水合物储量相当于传统能源的两倍。

发明内容

研究水合物在海水条件下的形成机理，对海水淡化技术、天然气管道防堵技术、二氧化碳海水埋存技术及研究全球碳值变化规律等均有指导意义。通过分子动力学模拟，通过改变甲烷浓度，确定水合物生成随甲烷浓度的影响因素，为实际中应用于水合物生成领域提供理论上的指导。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于分子模拟的水合物生成模拟方法，包括以下步骤：

(1)利用软件MaterialsStudio建立甲烷水合物单晶胞和相关分子模型，将得到的sI型甲烷水合物超晶胞和不同分子结构转换为分子模拟软件需要的三维坐标文件；

(2)利用GROMACS软件，引入步骤(1)得到的坐标文件，对sI型甲烷水合物的单胞进行2×2×2扩胞得到水合物超胞；

(3)利用GROMACS软件，设置模拟参数，在系统的左侧插入了上述2×2×2的种子超晶胞即完美的甲烷水合物晶体；之后将2×2×2的甲烷水合物超晶胞与不同摩尔分数的甲烷分子与水的混合物，按照水合物固相—气液混合物相的顺序进行叠加，之后在混合溶液中按照水分子与钠离子、氯离子个数比例为90：1：1的比例添加，模拟海水溶液，得到海水模拟条件下不同甲烷浓度的甲烷水合物生成的初始结构；

(4)利用GROMACS软件，引入步骤(3)所得到的初始构型，在设置相关模拟参数，先进行能量最小化操作，再进行位置约束，最后进行预平衡模拟后得到稳定构结构；

(5)利用GROMACS软件，引入步骤(4)所得到的稳定结构，沿所得到的结构Z轴方向加入不同摩尔分数的甲烷，根据选定的模拟参数，对体系进行分子动力学计算，得到分子轨迹三维坐标；