CN110534161B - 吸附质气体吸附相密度模型构建及绝对吸附量计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种吸附质气体吸附相密度模型构建及绝对吸附量计算方法，该构建方法包括获取温度T1下不同压力吸附质气体的气相密度，并将气相密度回归成与压力相关的多项式函数；构建吸附剂的孔结构，通过分子模拟手段获得不同温度、不同压力、不同孔径下吸附体系中吸附质气体的超额吸附量和吸附相体积；计算绝对吸附量；计算不同温度、不同压力、不同孔径下吸附体系中吸附质气体的吸附相密度；以吸附相密度为目标函数，以孔径r、温度T、压力p为因变量，应用最小二乘法构建构建吸附相密度计算模型。其提供一种全新的吸附相密度计算方法，基于压力、温度、孔径数据，同时考虑压力、温度、孔径对吸附相密度的影响，提高对吸附相密度的计算准确度。

Description

吸附质气体吸附相密度模型构建及绝对吸附量计算方法
技术领域
本发明涉及勘探技术领域，更具体的说是涉及一种吸附质气体吸附相密度模型构建及绝对吸附量计算方法。
背景技术
高压气体吸附一般都属于超临界吸附，如甲烷在煤层中的吸附、甲烷在页岩储层中的吸附、氢气在储氢材料中的吸附。气体超临界吸附是指气体在其临界温度以上在固体表面上的吸附。根据Gibbs定义，高压等温吸附实验中测量得到的吸附量为超额吸附量，但其并不能反映真实的吸附质气体吸附量，其也称为绝对吸附量。大量研究认为高压气体在固体吸附剂上吸附时，在固体的表面存在吸附相，即吸附平衡后，使游离相的体积减小，而数据处理时将这部分吸附相体积减掉，造成游离相体积偏大而吸附相体积偏小，导致高压等温吸附实验所测得的吸附质气体吸附量偏小，并不能反映客观存在的真实吸附量。因此，超临界吸附中需要将吸附质气体的超额吸附量应转化为绝对吸附量，即是吸附体系的真实吸附量。根据Gibbs提出的超额吸附量概念可知，超额吸附量和绝对吸附量之间转化需要确定吸附相体积或吸附相密度，而在超临界条件下，气体吸附相密度是不能直接测量或直接计算。为此，众多研究学者提出了多种气体吸附相密度的经验值或经验计算公式，这些研究结果主要分成三类：(1)部分研究学者研究认为气体吸附相密度为定值，气体吸附相密度等于气体压缩的极限密度或常压沸点下的液体密度(Arri et al.,1992；Yee et al.,1994)，如甲烷的吸附相密度为0.375g/cm3或0.421g/cm3；(2)部分研究学者研究将气体吸附相密度与吸附方程结合，将吸附相密度作为待定参数，通过数学拟合方法获得了不同温度条件下的气体吸附相密度，其依赖于吸附模型的是否适用于吸附体系(Berhard et al.,2008,2010,2012-2014；周理等，2000,2001；熊健等，2014)；(3)部分研究学者研究假定气体吸附相密度是与温度有关的函数(Ozawa et al.1976)，并提出了气体吸附相密度的计算公式ρa＝ρb exp(-0.0025×(T-Tb))，其中ρa为吸附相密度，ρb为沸点下液体密度，T为温度，Tb为沸点温度。这些研究成果中都忽视了压力对吸附相密度的影响。因此，吸附相密度的确定方法研究对获取准确的绝对吸附量有重要的意义。
发明内容
本发明为了解决上述技术问题提供一种吸附质气体吸附相密度模型构建及绝对吸附量计算方法。
本发明通过下述技术方案实现：
一种吸附质气体吸附相密度计算模型构建方法，包括以下步骤：
S10、获取温度T1下不同压力吸附质气体的气相密度ρg，并将气相密度ρg回归成与压力p相关的多项式函数；
S20、构建吸附剂的狭缝孔结构模型且构建的狭缝孔孔径有多种，通过分子模拟手段获得不同温度、不同压力、不同孔径下吸附体系中吸附质气体的超额吸附量和吸附相体积；
S30、根据步骤S20获得的超额吸附量和吸附相体积计算绝对吸附量；
S40、计算不同温度、不同压力、不同孔径下吸附体系中吸附质气体的吸附相密度；
S50、根据步骤S40的结果，以吸附相密度为目标因变量，以孔径r、温度T、压力p为自变量因子，应用最小二乘法构建吸附相密度计算模型ρa，
Figure GDA0002662933870000021
其中，a、b、c为拟合得到的待定系数。
本方案提供一种全新的吸附相密度计算模型，该方法基于压力、温度、孔径数据，同时考虑压力、温度、孔径对吸附相密度的影响，提高对吸附相密度的计算准确度。
一种吸附质气体绝对吸附量的计算方法，包括以下步骤：
SS1：根据上述吸附相密度计算模型计算吸附相密度ρa；
SS2：获取温度T、压力P下吸附质气体的气相密度ρg；
SS3：计算温度T、压力P下吸附质气体的超额吸附量nex；
SS4：计算绝对吸附量，所述绝对吸附量为：
nad＝nex/(1-ρg/ρa)。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明提出一种全新的吸附相密度计算模型，该模型基于压力、温度、孔径数据，同时考虑压力、温度、孔径对吸附相密度的影响，通过该模型计算得到的吸附相密度准确度高，从而提高绝对吸附量计算的准确度。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。
图1为甲烷在高岭石中高压等温吸附实验和甲烷分子在高岭石纳米级孔隙中模拟结果对比图，图中，A表示试验结果，B表示在2nm孔径下的模拟结果，C表示在20nm孔径下的模拟结果。
图2为甲烷分子在狭缝孔中局部密度分布图。
图3为孔径和压力对甲烷吸附相密度的影响图。
图4为温度和压力对甲烷吸附相密度的影响图。
图5为对不同温度和不同压力点下甲烷的吸附相密度计算结果图。
图6为得到的甲烷在高岭石中超额吸附量转化为绝对吸附量图。
图7为本发明的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图7所示的一种吸附质气体吸附相密度计算模型构建方法，包括以下步骤：
S10、获取温度T1下不同压力吸附质气体的气相密度ρg，并将气相密度ρg回归成与压力p相关的多项式函数；
S20、构建吸附剂的狭缝孔结构模型且构建的狭缝孔孔径有多种，通过分子模拟手段获得不同温度、不同压力、不同孔径点下吸附体系中吸附质气体的超额吸附量和吸附相体积；
S30、根据步骤S20获得的超额吸附量和吸附相体积计算绝对吸附量；
S40、计算不同温度、不同压力、不同孔径下吸附体系中吸附质气体的吸附相密度；
S50、根据步骤S40的结果，以吸附相密度为目标因变量，以孔径r、温度T、压力p为自变量因子，应用最小二乘法构建吸附相密度计算模型ρa，
Figure GDA0002662933870000041
其中，a、b、c为拟合得到的待定系数。
实施例2
基于实施例1的原理，本实施例公开一具体实施方法，具体包括以下步骤：
S10、在NIST数据库中获取某温度下不同压力吸附质气体的气相密度，将气相密度ρg回归成与压力p相关的多项式函数，可见式(1)，吸附质气体可以是如甲烷、二氧化碳、氢气等气体。
ρg＝a0+a1p+a2p2+a3p3 (1)
S20、根据吸附剂的晶体结构模型，利用Materials studio 6.0软件构建吸附剂的超晶胞结构，从而构建出吸附剂的狭缝孔结构，构建的狭缝孔直径包括1nm、1.5nm、2nm、3nm、4nm、6nm、8nm、10nm、15nm、20nm等。在基础上，构建了不同温度下吸附质气体分子在吸附剂的纳米级孔隙中吸附过程。
基于上述构建模拟的结果，通过分子模拟手段可获得不同温度、不同压力、不同孔径下吸附体系中吸附质气体的超额吸附量，该超额吸附量计算公式为式(2)。将数值模拟结果与高压气体等温吸附实验所测得结果对比，优化调整步骤S20中狭缝孔结构模型分子模拟过程中的参数，使模拟结果和实验结果匹配性好。高压气体等温吸附实验可利用体积法或重量法进行，获取某温度下吸附质气体在吸附剂上的等温吸附线，得到某温度下不同压力点下吸附质气体的超额吸附量，所述吸附质气体为纯气体，吸附剂主要为单物质，如活性炭、石墨、碳纤维、纯黏土矿物等。
nex＝N-ρg(Va+Vg)/(MS)＝N-(ρgVp)/(MS) (2)
式中：nex为吸附体系的吸附质超额吸附量，单位为mol/m2；N为吸附体系的吸附质总量，单位为mol/m2；ρg为吸附质气体的气相密度，单位为g/cm3；Va为吸附相体积，单位为cm3；Vg为游离相体积，单位为cm3；Vp为吸附体系的自由空间体积(孔体积)，单位为cm3；M为吸附质的摩尔质量，单位为mol/g；S为狭缝孔结构的比表面积，单位为m2。
基于上述构建模拟的结果，还可获得不同温度、不同压力、不同孔径下吸附质气体分子在吸附剂孔隙中局部密度分布图，可从分布图中确定吸附质气体的吸附相区域，从而计算获取不同温度不同压力点下吸附体系中吸附质气体的吸附相体积。
S30、根据S20中得到的超额吸附量和吸附相体积，计算不同温度、不同压力、不同孔径下吸附体系中吸附质气体的绝对吸附量nab,
nab＝nex+(ρgVa)/(MS)。
S40、基于S20和S30中的结果，计算不同温度、不同压力、不同孔径下吸附体系中吸附质气体的吸附相密度ρa，可获取该吸附体系中吸附相密度随温度、压力的变化规律。
ρa＝nab×S×M/Va，
式中，ρa为吸附相密度，单位为g/cm3。
S50、根据步骤S40的结果，以吸附相密度为目标函数，以孔径、温度、压力为因变量，应用最小二乘法构建吸附相密度的计算模型
Figure GDA0002662933870000061
其中，a、b、c为拟合得到的待定系数。
S60、依据低压氮气吸附实验结果获取的吸附剂孔径分布曲线，从曲线中提取吸附剂的最可几孔径，将其值带入吸附相密度的计算模型中，即可获取与压力、温度相关的吸附相密度计算模型。
实施例3
本实施例中吸附剂为高岭石矿物，吸附介质为甲烷气体为例对本方案模型构建方法进行举例说明。
S10、利用实施例1、2中的方法获得不同温度下甲烷的气相密度拟合多项式的系数如表1所示，其中，R为拟合系数。
表1甲烷密度回归公式系数取值
Figure GDA0002662933870000062
S20、根据吸附剂的晶体结构模型，利用Material studio6.0软件构建吸附剂的超晶胞结构，从而构建出吸附剂的狭缝孔结构，构建的狭缝孔直径包括1nm、1.5nm、2nm、3nm、4nm、6nm、8nm、10nm、15nm、20nm等。在基础上，构建了不同温度下吸附质气体分子在吸附剂的纳米级孔隙中吸附过程。
基于上述构建模拟的结果，通过分子模拟手段可获得不同温度、不同压力、不同孔径下吸附体系中吸附质气体的超额吸附量。基于该方法模拟的获得的超额吸附量和根据实施例2中高压等温吸附实验获得超额吸附量详见图1，图中对比结果显示所构建模型以及模型参数的选择合理性。
基于上述构建模拟的结果，还可获得不同温度、不同压力、不同孔径下吸附质气体分子在吸附剂孔隙中局部密度分布图，详见图2。甲烷在高岭石孔隙中的吸附相体积依据甲烷在孔中的密度分布确定吸附相区域，即靠近孔壁区域，如图2中的(-2，z0)和(z0，2)区域，进而计算得到不同温度不同压力点下甲烷吸附相体积。
S30、计算不同温度、不同压力点、不同孔径下吸附体系中吸附质气体的绝对吸附量。
S40、计算不同温度、不同压力、不同孔径下高岭石纳米级孔隙中的吸附相密度ρa，如图3、图4所示。从图中可看出，甲烷吸附相密度随着压力增大而呈增大趋势，随着温度或孔径增加而减小。这说明超临界吸附中甲烷吸附相密度并不是固定值，对于一特定的吸附剂，吸附相密度随着压力和温度变化而变化，是压力和温度综合的结果。
S50、基于高岭石的低压氮气吸附测试，高岭石的最可几孔径约为65nm。以吸附相密度为目标函数，以孔径、温度、压力为因变量，应用最小二乘法构建吸附相密度的计算模型。依据低压氮气吸附实验结果获取的吸附剂孔径分布曲线，从曲线中提取吸附剂的最几可孔径，将其值带入吸附相密度的计算模型中，即可获取与压力、温度相关的吸附相密度计算模型，详见式(3)，其中R为拟合系数，该计算模型综合考虑了温度和压力的影响，避免了在应用过程中甲烷吸附相密度假定为一个定值。依据该甲烷吸附相密度计算模型，对不同温度和不同压力点下甲烷的吸附相密度计算结果如图5所示，从图中可看出甲烷吸附相密度计算结果较吻合，说明该模型具有一定可靠性。该吸附相密度计算模型避免了超额吸附量和绝对吸附量之间转换过程中假定吸附相密度为定值时造成的误差。
Figure GDA0002662933870000081
实施例4
本实施例公开一种吸附质气体绝对吸附量的计算方法，包括以下步骤：
SS1：根据上述任一实施例的方法计算吸附相密度ρa；
SS2：获取温度T、压力P下吸附质气体的气相密度ρg；
SS3：计算温度T、压力P下吸附质气体的超额吸附量nex；
SS4：计算绝对吸附量，所述绝对吸附量为：
nad＝nex/(1-ρg/ρa)。
基于实施例3的实例，采用该实施例的方法得到的甲烷在高岭石中超额吸附量转化为绝对吸附量，其结果如图6所示。从图中可看出超额吸附量和绝对吸附量之间的差异随着压力的增大而逐渐增大。因此，在实际应用中，需要将超额吸附量转化为绝对吸附量，以免其不能真正反映出真实吸附量的大小。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种吸附质气体吸附相密度计算模型构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10、获取温度T1下不同压力吸附质气体的气相密度ρg，并将气相密度ρg回归成与压力p相关的多项式函数；
S20、构建吸附剂的狭缝孔结构模型且构建的狭缝孔孔径有多种，通过分子模拟手段获得不同温度、不同压力、不同孔径下吸附体系中吸附质气体的超额吸附量和吸附相体积；
S30、根据步骤S20获得的超额吸附量和吸附相体积计算绝对吸附量；
S40、计算不同温度、不同压力、不同孔径下吸附体系中吸附质气体的吸附相密度；
S50、根据步骤S40的结果，以吸附相密度为目标因变量，以孔径r、温度T、压力p为自变量因子，应用最小二乘法构建吸附相密度计算模型ρa，
Figure FDA0002662933860000011
其中，a、b、c为拟合得到的待定系数。
2.根据权利要求1所述的一种吸附质气体吸附相密度计算模型构建方法，其特征在于，还包括以下步骤：
S60、获取吸附剂的最可几孔径，将其输入上述吸附相密度计算模型中，得到与压力、温度相关的吸附相密度计算模型。
3.根据权利要求2所述的一种吸附质气体吸附相密度计算模型构建方法，其特征在于，
所述与压力、温度相关的吸附相密度计算模型为：
Figure FDA0002662933860000012
4.根据权利要求3所述的一种吸附质气体吸附相密度计算模型构建方法，其特征在于，
所述吸附相密度计算模型适用于吸附质为高岭石，吸附气体为甲烷。
5.根据权利要求1所述的一种吸附质气体吸附相密度计算模型构建方法，其特征在于，还包括对吸附剂的狭缝孔结构模型的优化步骤：
利用高压等温吸附实验，获取温度T1下吸附质气体在吸附剂上的等温吸附线，得到温度T1下不同压力点下吸附质气体的实验超额吸附量；
根据该实验超额吸附量优化狭缝孔结构模型分子模拟中的参数。
6.一种吸附质气体绝对吸附量的计算方法，其特征在于：包括以下步骤：
SS1：根据权利要求1至4任一方法构建的吸附相密度计算模型计算吸附相密度ρa；
SS2：获取温度T、压力P下吸附质气体的气相密度ρg；
SS3：计算温度T、压力P下吸附质气体的超额吸附量nex；
SS4：计算绝对吸附量，所述绝对吸附量为：
nad＝nex/(1-ρg/ρa)。
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