甲烷水合物微觀形成過程模擬反應(yīng)裝置，采用分子動力學(xué)模擬方法研究濕ZIF-8及ZIF-67床層的天然氣存儲機(jī)理。通過模擬濕ZIF-8及ZIF-67床層中甲烷水合物的成核及生長過程，探究兩種MOF材料對水合物的影響規(guī)律，并進(jìn)一步深入床層中的吸附-水合協(xié)作及競爭機(jī)理。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：與ZIF-67相比，ZIF-8材料對甲烷分子的吸附能力更強(qiáng)，最終會誘導(dǎo)更多的甲烷和水分子轉(zhuǎn)化為水合物，有助于吸附-水合耦合儲存天然氣。但是與此同時(shí)，ZIF-8對甲烷的吸附作用亦會通過促進(jìn)溶液中的甲烷分子向ZIF-8固體表面運(yùn)移并聚集成納米氣泡，從而降低溶液中甲烷濃度、削弱水合物形成驅(qū)動力、顯著延長水合物的生長時(shí)間。ZIF-67對甲烷分子稍弱的吸引力可在不明顯降低溶液中甲烷濃度的基礎(chǔ)上，通過促進(jìn)水和甲烷分子的運(yùn)移及自組裝行為從而加速水合物的快速成核及生長，但是體系最終的水和甲烷轉(zhuǎn)化為水合物的比例會明顯低于濕ZIF-8固定床體系，即其吸附-水合耦合天然氣存儲效果要略差于濕ZIF-8床層體系。

甲烷水合物微觀生長過程：

黃色球體—甲烷分子；紅色—已形成的水合物籠狀結(jié)構(gòu)；綠色—新形成的水合物籠子

通過對比濕ZIF-8及濕ZIF-67固定床體系中水合物的微觀動力學(xué)生成過程及平衡狀態(tài)，可以得出：具有優(yōu)異甲烷吸附性能的材料可表現(xiàn)出更好的吸附-水合耦合天然氣存儲效果，但是同時(shí)可能亦會對水合物生成動力學(xué)方面起到一定的負(fù)面作用。因此，在后續(xù)進(jìn)一步篩選適用于吸附-水合耦合天然氣存儲技術(shù)的多孔材料的過程中，建議從干材料自身的天然氣吸附特性及固定床整體的水合物生成動力學(xué)兩方面進(jìn)行綜合考量。

氣體水合物是由水和氣體組成的晶體狀包絡(luò)化合物，是·類由許多低分子質(zhì)量的氣體，如石油和天然氣組分中 C~C的輕、二氧化碳、硫化氫、環(huán)氧之烷、四氫味喃以及某些惰性氣體，在低溫高壓條件下與水形成的具有籠形結(jié)構(gòu)的冰狀晶體，稱為籠形水合物 (Clathrate Hydrates)，簡稱水合物。

水合物的生長和分解規(guī)律對開發(fā)海洋天然氣水合物資源,實(shí)現(xiàn)深水天然氣水合物氣液固多相管道輸送都具有重要意義。為了進(jìn)一步揭示水合物的生長和分解特性,本文采用高壓全透明反應(yīng)釜裝置,進(jìn)行了溫度0～30℃、壓力3.35～8.16MPa和攪拌速率200～1000r/min范圍內(nèi)的16組甲烷水合物生長和分解動力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明:實(shí)驗(yàn)過程可分為水合物誘導(dǎo)期、快速生長期、緩慢生長期以及分解期這4個(gè)階段。在水合物快速生長階段,獲得了溫度、壓力、攪拌電機(jī)扭矩和水合物生長速率隨時(shí)間的變化規(guī)律,觀察到了水合物顆粒的均相和非均相分布狀態(tài)。通過加熱促使水合物分解,揭示了分解階段溫度、壓力和分解速率等關(guān)鍵參數(shù)的變化規(guī)律以及水合物塊的分解形態(tài)。分析表明,水合物顆粒的分布狀態(tài)與水合物漿液的流動性直接相關(guān);水合物塊的靜態(tài)分解過程受到分解氣傳質(zhì)控制。