文摘
气体diffusion-sorption是一个关键的步骤,煤层气(CBM)剥削和二氧化碳封存。因为气体物理性质的特殊性,很难想象天然气diffusion-sorption过程煤的实验方法。由于实验方法的局限性图像三维煤孔隙结构,是不可能获得煤的孔隙结构三维图像。因此,天然气diffusion-sorption煤孔隙结构的可视化数值方法是不可能的。在这项研究中,气体扩散系数被实验首先估计。然后,发展天然气diffusion-sorption耦合模式可应用于纳米级同步加速器辐射nano-CT几何成像。气体扩散的动态过程和广告——在煤的纳米微观结构/解吸是可视化的发达天然气diffusion-adsorption耦合模型和基于MATLAB的数值模拟。仿真结果表明与实验结果吻合很好。气体diffusion-sorption耦合模型和数值方法可以帮助调查微观结构对气体扩散的影响和广告——/解吸和提供了一个可能性探讨多尺度气体运输和煤炭pore-fracture吸附系统。
1。介绍
煤炭作为一种多孔介质,展品高气体吸附亲和力(1]。因此,煤炭不仅是甲烷储层还可以被视为一个潜在的二氧化碳储存的地方(2,3]。可采煤层气(CBM)是在500年 自洽场(14.2 - )世界上(4]。二氧化碳存储功能在深煤层是世界上近150 Gt (5]。在煤层气(CBM)生产、天然气需要扩散通过煤炭矩阵,最后流向生产井(6- - - - - -8]。当二氧化碳封存被认为是,二氧化碳是物理吸附在孔隙表面的煤通过反向过程(9]。因此,气体扩散是煤层气生产不可或缺的一步和二氧化碳封存。大量的研究已经进行了气体扩散行为研究煤实验和数值方法。实验研究主要集中在影响气体扩散行为的因素,如颗粒大小(10)、温度(11),气体压力(12,13]。数值方法主要是用来计算气体的扩散系数bidisperse扩散模型(14]。目前,广泛实现扩散系数的方法计算unipore模型假设一个统一的孔隙大小分布(15,16和bidisperse模型假设双峰孔隙大小分布17]。bidisperse模型相比,unipore模型在数学计算更容易。一些研究人员发现unipore模型足以模型实验数据(11,18- - - - - -20.),而其他研究人员发现,bidisperse模型需要达到满意的精度(21- - - - - -24]。
reparticle大小的因素中,温度和压力影响气体扩散行为,压力相对更引起了人们的关注。因为煤炭矩阵是不断变化的气体压力在天然气生产和二氧化碳封存(13]。至于天然气扩散系数和气体压力之间的关系,在先前的研究中有两种相反的结果。一个结论是,扩散系数随着压力的增加(增加25),而其他的结果表明,扩散系数下降有越来越大的压力13]。
之前的研究对气体扩散行为只能提供宏观(统计)扩散特征,如扩散系数,并不能提供实时煤炭三维微结构气体分布的局限性造成的孔隙结构成像方法,特别是纳米级(26- - - - - -28]。摘要synchrotron-based nano-CT在北京同步辐射装置(BSRF)应用于获得煤微观结构的形象。受益于单色光束和高x射线相干,synchrotron-based nano-CT可以达到纳米级分辨率与数据质量非常好29日]。
在这项研究中,甲烷和二氧化碳在吸附和解吸过程中扩散系数进行了测量,全面分析。基于试验研究,开发天然气diffusion-sorption耦合模型。最后,实时气体扩散——煤吸附过程可视化相结合的纳米微观结构和气体diffusion-sorption的耦合模型。
2。实验
2.1。样本
煤炭从Xinzhouyao煤矿收集的样本和唐山煤矿和被命名为样本XZY和TS在本文的以下部分。因为真正的密度煤样品将用于下面的数值研究,真正的密度测定。真正的两个样品的密度是1.3502克/厘米3(示例XZY)和1.5355克/厘米3(分别为示例TS)。
同步加速器辐射nano-CT成像,第一步是粉碎煤样品,然后粒子大小接近10μ米被选中,放在一根针的尖端的仪器如图1(一)图1(b)显示了转盘与销。使用仪器如图1(c),金粒子被放在样品促进图像对齐。
天然气扩散系数测试,为了消除裂缝和大孔隙,对测试结果的影响,煤炭样本大小是60 - 80目(180 ~ 250年μ米)。在测试之前,样品脱气24 h在303 K。
2.2。三维纳米微结构的煤炭
三维纳米微结构的煤被同步辐射成像nano-CT BSRF。更多细节关于nano-CT和成像方法,参考文献[29日]。数值调查之前,nano-CT图像处理在以下三个步骤:选择感兴趣的区域(ROI),噪音过滤(30.),和图像分割31日]。更多细节关于nano-CT图像处理,参考文献[32]。图2显示了图像处理的流程图,处理同步加速器辐射nano-CT图像被用于后续的数值调查。
2.3。天然气扩散系数的设置
扩散系数测试类似于等温吸附线测量设置和实验过程。在扩散测量,吸附和解吸的时间记录(13]。天然气扩散系数测试2600年H-Sorb完成吸附分析仪(黄金应用仪器有限公司,中国)。更多细节关于H-Sorb 2600吸附分析仪,指太阳et al。33]。气体压力是8 MPa对甲烷和5 MPa的二氧化碳扩散系数证人在温度303 K。图3显示了测试程序。这可以从图中找到3有更大的飞跃的吸附量有限公司2在初始阶段的压力水平比CH4。还有比这更重大飞跃样本XZY样本TS。这是因为天然气扩散系数的差异特征在下一节讨论。实验和朗缪尔等温线如图4朗缪尔参数表中列出1。
(一)
(b)
(c)
(d)
2.4。扩散系数估计和讨论
根据之前的研究,有两个广泛使用的模型来估计煤炭的扩散系数,unipore模型,bidisperse模型(5]。bidisperse模型相比,unipore模型相对简单的数学计算12]。unipore模型被用来估计天然气扩散系数的研究。
根据菲克第二定律,
为方便计算,方程(1)也可以写成,
根据方程(2)[34),CH的扩散系数4和有限公司2计算,如图5(一个)- - - - - -5 (d)。
(一)
(b)
(c)
(d)
它可以在图中找到5的扩散系数是10的范围-13年到10-11年 ,这是在同一大小由其他研究人员获得的结果(11]。
根据其他研究者的研究结果,有一个积极的气体扩散系数和吸附气体体积之间的关系(12]。气体扩散系数在示例XZY高于样本TS(图5),它可以用气体吸附能力的差异来解释。在这部作品中,气体吸附能力被吸附气体量量化单位孔隙的表面积,可以从广告获得——/解吸等温线图4当孔隙的表面积单位质量。单位质量的孔隙表面积计算下列方程(3)。
两个样品的孔隙比表面积是估计的,
如方程所示(4),单位质量的孔隙表面积样本XZY小于样本的TS,而吸附气体量在样本XZY单位质量较高,如图4,这表明样本XZY的气体吸附能力较高。它验证有一个积极的气体扩散系数和吸附气体体积之间的关系。
在吸附阶段,CH4扩散系数的峰值压力拐点的吸附等温式(7.15 MPa XZY样本和样本TS 5.12 MPa),毛细凝聚(数据开始4(一),4 (b),5(一个))。毛细凝聚开始时,气体吸附率显著增加。根据气体扩散系数之间的正相关和吸附气体体积(12),气体吸附速率的增加促进了气体扩散。因为没有毛细凝聚在有限公司2扩散测试,这可能是由于较小的测试气体压力范围有限公司2扩散测试有限公司2从吸附扩散系数计算阶段相对恒定的虽然有波动气体压力(图5 (c))。扩散系数的原因是相对稳定吸附期间除了在毛细管冷凝的气体压力开始需要进一步的研究。
解吸期间,如图5 (b)和5 (d),有一个u型气体压力与扩散系数之间的关系。在低压政权,吸附气体的量很小,吸附气体的影响很小。根据Lennard-Jones流体模型(图6(一))[35之间存在负相关关系,气体扩散系数和气体压力(数据5 (b)和5 (d))。随后,随着气压的增加,吸附气体的影响变得更强,导致积极的扩散系数和气体压力(数据之间的关系5 (b)和5 (d))[13]。不同的法律在吸附和解吸需要进一步调查。
(一)
(b)
此外,它可以发现有限公司2扩散率一直高于CH4也被一些其他研究人员发现12),因为二氧化碳的动力学直径较小的(有限公司2:0.33 nm;CH4:0.38海里)(10]。
3所示。可视化的气体Diffusion-Sorption
3.1。天然气Diffusion-Sorption耦合模型
在当前的研究在煤炭、天然气运输行为不足已经注意到可视化的动态气体diffusion-sorption过程煤微观结构的几何形态。在这个工作中,天然气diffusion-sorption可视化在现实煤微观结构是通过高分辨率图像的组合煤的微观结构和气体扩散和吸附的耦合模型。
根据连续方程,
气流在煤炭矩阵可以描述菲克第一定律(36),
可以制定为方程(8),
因为内部孔隙表面气体吸附的地方,识别内部孔隙表面的方程,
在这项研究中,固体和孔隙的灰度值是0和1,分别。
吸附气体的数量单位孔隙表面积可以估计方程(10)。
气体扩散和吸附是发达的耦合模型,
气体状态方程,
现在,方程(14)可以写成
天然气的可视化diffusion-sorption煤炭可以通过求解方程(14)。
3.2。参数确定
在仿真中,平衡是1 MPa的压力。一个立方体从样本XZY用作模拟几何。多维数据集的大小 据悉,体素的大小 μm(图2)。吸附和解吸阶段都进行数值研究。在吸附和解吸的阶段,模拟几何表面的压力是1 MPa和0 MPa,分别。
气体扩散煤炭主要受孔隙结构的影响,矩阵,气体分子,吸附的特点(12]。气体传输机制在毛孔可以由克努森数描述方程(15)[39]。
天然气运输可分为不同的流动模式,克努森数和每个流态气体传输遵循不同的控制方程(40]。
随着甲烷= 1 MPa的压力,样品的克努森数XZY计算是0.07。此外,如图5(一个)在低压政权,CH的趋势4扩散系数符合Lennard-Jones流体模型(图6(一))[35),这表明气体扩散可近似视为散装扩散。因此,在模拟中,Lennard-Jones模型(图的价值6(一))被设置为孔隙中的扩散系数。
的孔隙半径synchrotron-based nano-CT在这项研究是在9 - 279纳米的范围。根据核磁共振cryoporometry之前测试结果,毛孔的孔隙体积与半径0.84 9 nm占总孔隙体积的43%在-250 - 0.84纳米的范围(41]。煤炭矩阵和毛孔nano-CT检测覆盖率占大多数的煤炭。因此,天然气扩散系数矩阵值测量的实验研究(图5)。通过毛孔范围(9 - 288 nm)发现本文不覆盖整个孔隙大小范围内,气体吸附在这些毛孔表面可以按比例反映吸附气体分布的动态过程和气体压力分布模拟可以比较准确地反映了实际情况自由气体分布。
3.3。数值模拟结果和讨论
图7显示吸附气体的总量随时间在吸附和解吸的时期。它可以发现,吸附和解吸速度明显更快在初始阶段吸附和解吸和吸附气体最终变得稳定一段时间后,也就是实验数据图3。之间有矛盾在CT成像,分辨率和样本量和样本容量必须足够小,满足分辨率要求。同步加速器辐射nano-CT成像,样本容量小于10μ米,而样本质量需要达到一定数量,以确保实验的准确性测量气体的广告- /解吸。因此,实验和模拟的几何尺度并不是在相同的规模。此外,有煤颗粒之间的空间中的扩散实验。结果,它不是实验和数值结果之间的可比性sorption-time坐标系统。在未来,数值方法研究气diffusion-sorption考虑规模效应和扩散在煤颗粒之间的空间应该研究。
在图8的动态过程,在吸附过程中气体diffusion-sorption是行1和2,可视化和动态过程中气体diffusion-sorption解吸过程的可视化行3和4。nano-CT形象片编号1 - 200从上到下。第一列是一片编号2、5、10和100。随着时间的推移动态气体压力演化提出了行1和3。随着时间的推移动态吸附气体进化提出了行2和4。它可以发现,气体扩散主导气体吸附。当气体扩散到毛孔,可以有气体吸附表面的孔隙。此外,气体压力决定的气体吸附量和吸附气体的量较高时,气体压力较高。
因为气体物理性质的特殊性,很难想象天然气diffusion-sorption过程煤的实验方法。由于先前的限制意味着煤孔隙结构特征,是不可能获得煤的孔隙结构三维图像。结果,这是不可能实现的可视化气体diffusion-sorption过程基于真正的三维微观结构通过数值方法。在前面研究天然气运输煤炭的数值方法,只有一个参数(孔隙度)是描述孔隙结构对天然气运输煤炭的影响(42,43],它不能精确地研究孔隙结构的影响气体运输,因为没有考虑孔隙结构的大小和空间分布。在这项研究中,基于纳米微观结构,仿真可视化的动态过程气体diffusion-sorption煤微观结构和获得总吸附气体量随时间的变化。此外,开发了各种数值方法生成多孔介质(44- - - - - -46]。气体扩散和吸附的耦合模型的数值方法模拟气体扩散和吸附在三维多孔介质,本文开发的,提供了一个选项为进一步研究微观结构在气体扩散和吸附的影响。虽然有adsorption-swelling效应(47),本研究拟开发的方法来可视化气体扩散和吸附在煤,所以adsorption-swelling效应并不是调查,但在未来改进的模型将被开发。
虽然不是实验和数值结果之间的可比性adsorption-time坐标系如上所述,它是比较实验和数值结果之间的吸附等温式,因为规模效应和扩散在煤颗粒之间的空间是可忽略的吸附达到平衡。为了验证数值方法来可视化气体扩散的动态过程和广告/解吸煤微观结构,吸附等温线的数值模拟与实验结果进行比较。如图9吸附等温线,数值模拟与实验结果相一致,验证了数值方法。nano-CT和耦合模型的应用开发的气体扩散和吸附本文能够调查压力分布的动态过程和吸附气体分布在吸附和解吸的时期。此外,在本研究在于模型可以结合fracture-scale模型,如离散裂缝模型(DFM) [48),研究多尺度气体运输和煤储层的吸附。
(一)
(b)
(c)
(d)
4所示。结论
可视化的天然气diffusion-sorption在煤矿为研究孔隙结构的影响是非常重要的天然气diffusion-sorption和多尺度气体运输和煤炭pore-fracture吸附系统。在这项研究中,基于煤孔隙结构的纳米尺度的图像,天然气diffusion-sorption在煤炭的动态过程可视化。在煤炭、天然气的可视化diffusion-sorption前甲烷和二氧化碳吸附和解吸过程中扩散系数两个煤样进行了测试和综合分析。较高的煤气体吸附能力提出了较高的扩散率。较小的动力学直径有限公司2使有限的扩散系数2是高于CH4。在吸附过程中,气体扩散系数的峰值在毛细管冷凝的气体压力的开始。有一个u型气体扩散系数与气压之间的关系在解吸过程中。为了调查气体扩散的动态过程和广告——/解吸在煤炭、天然气diffusion-sorption耦合模型。基于纳米级微观结构,气体扩散的动态过程和广告——煤炭纳米微观结构/解吸是可视化。数值仿真结果表明与实验结果吻合很好。气体diffusion-adsorption耦合模型和数值方法可以帮助调查微观结构对气体扩散的影响和广告——/解吸和提供了一个可能性探讨多尺度气体运输和煤炭pore-fracture吸附系统。
命名法
| : | 眠气体总质量t(g) |
| : | 总气体质量无限眠时间(g) |
| : | 扩散系数(m2/秒) |
| : | 扩散路径长度(米) |
| : | 气体总量广告/ de-sorbedt(毫升) |
| : | 体积的气体广告/ de-sorbed无限时间(ml) |
| : | 总孔隙表面积ROI (m2) |
| : | 的固体体元总数ROI |
| : | 量每体素(m3) |
| : | 真正的密度(克/厘米3) |
| : | 从Xinzhouyao煤矿煤炭样本收集 |
| : | 从唐山煤矿煤炭样本收集 |
| : | 气体浓度(摩尔/ m3) |
| : | 扩散通量(摩尔/ (m2·s)) |
| : | 源项(摩尔/ (m3·s)) |
| : | 气体浓度影响气体吸附(摩尔/ m3) |
| : | 的吸附气(摩尔) |
| : | 数值计算中网格元素(m的体积3) |
| : | 孔隙表面积的元素(m2) |
| : | 单位孔隙表面积吸附气体量(毫升/ m2) |
| : | 气体的摩尔体积(22.4 ,STP) |
| : | 灰度值的位置 |
| : | 体积的气体吸附在单位质量的煤(ml / g) |
| : | 单位质量的煤孔隙的表面积(m2/ g) |
| : | 气体压力(Pa) |
| : | 朗缪尔体积(ml / g) |
| : | 朗缪尔压力(MPa) |
| : | 天然气压缩因子 |
| : | 孔隙的平均直径(米) |
| : | 气体分子的平均自由程(米) |
| : | 波尔兹曼常数(1.3805×10-23年J / K) |
| : | 温度(K) |
| : | 碰撞直径(m)。 |
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这项研究是国家自然科学基金支持的财务(U1910206号、51861145403、51861145403)和中国博士后科学基金会(2018号m641526)。