含杂质CO2物性变化规律及其机理研究

doi:10.3969/j.issn.1006-396X.2022.04.003

摘要/Abstract

摘要：

在国家“双碳”战略背景下，利用CO₂提高油田采收率是封存CO₂的重要手段，但液态CO₂的安全储存、输送仍存在挑战，其中杂质气体对液态CO₂热力学物性的影响非常大。对现场取样的CO₂进行分析，确定了常见的7种杂质气体，并利用HYSYS、分子动力学模拟方法对含杂质CO₂的物性变化进行模拟计算，绘制物性版图并将其与纯CO₂的物性进行比较。研究表明，7种杂质均能使CO₂相图的气液共存两相区范围扩大，但不同杂质使气液共存两相区范围的扩大幅度不同；杂质主要通过泡点线的变化扩大气液共存两相区，而对露点线的变化影响不大；在含C₂H₆、C₃H₈、C₂H₄杂质的CO₂混合气体中静电势能占据主导作用，因此相比于含H₂、CO、CH₄、羰基硫（OCS）的混合气体，其宏观物性受温度、压力波动的影响较小。

关键词: CO₂物性, 杂质, 分子动力学, CO₂储存, 相互作用能

Abstract:

Under the national strategy of carbon peak and carbon neutrality in China,utilizing CO₂ for enhanced oil recovery becomes an important means of CO₂ storage in oilfields. However, there are still challenges in the safe storage and transportation of liquid CO₂,in which gas impurities have a great influence on the thermodynamic properties of liquid CO₂.Seven common gas impurities were determined by the analysis of CO₂ samples obtained in the field,and the changes in physical properties of the CO₂ samples containing impurities were simulated by HYSYS and the molecular dynamics simulation method.The physical property diagrams were plotted and compared with those of pure CO₂.The results reveal that all seven impurities can enlarge the gas?liquid coexisting region in CO₂ phase diagrams,but the enlargement extent differs. The impurities mainly expand the gas?liquid coexisting region by changing the bubble point line,while the dew point line has little change.It is found by molecular dynamics simulation that the electrostatic potential energy plays a dominant role in the CO₂ mixture containing C₂H₆,C₃H₈,and C₂H₄.Therefore,compared with the results of the mixture containing H₂,CO,CH₄,and carbonyl sulfur (OCS),its macroscopic physical properties are less affected by temperature and pressure fluctuations.

Key words: Physical property of CO₂, Impurity, Molecular dynamics, CO₂ storage, Interaction energy

中图分类号:

TQ116.02

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图/表 10

表1 试样组分分析结果

Table 1 Analysis results of sample components

$φ$ （H₂）	$φ$ （CO₂）	$φ$ （CO）	$φ$ （CH₄）	$φ$ （C₂H₆）	$φ$ （C₂H₄）	$φ$ （C₃H₈）	$φ$ （OCS）
0.000 1	0.997 3	0.001 6	0.000 4	0.000 3	0.000 1	0.000 1	0.000 1

表1 试样组分分析结果

Table 1 Analysis results of sample components

$φ$ （H₂）	$φ$ （CO₂）	$φ$ （CO）	$φ$ （CH₄）	$φ$ （C₂H₆）	$φ$ （C₂H₄）	$φ$ （C₃H₈）	$φ$ （OCS）
0.000 1	0.997 3	0.001 6	0.000 4	0.000 3	0.000 1	0.000 1	0.000 1

图1 杂质对含杂质CO2相包络线的影响

Fig.1 Effect of impurities on enveloping lines containing impurities CO2

图2 杂质对含杂质CO2密度的影响

Fig.2 Effect of impurities on density containing impurities CO2

图3 杂质对含杂质CO2比热容的影响

Fig.3 Effect of impurities on specific heat containing impurities CO2

图4 杂质对含杂质CO2黏度的影响

Fig.4 Effect of impurities on viscosity containing impurities CO2

图5 杂质对含杂质CO2导热系数的影响

Fig.5 Effect of impurities on thermal conductivity containing impurities CO2

图6 杂质对含杂质CO2气相分率的影响

Fig.6 Effect of imprurities on gas phase fraction containing impurities CO2

图7 含杂质CO2的分子模型（以含H2气体杂质为例）

Fig.7 Molecular model of CO2 containing impurity（Take impurities containing H2 gas as an example）

图8 混合气体分子模拟计算结果

Fig.8 Simulation results of mixed gas molecules

表2 不同温度和压力下含不同杂质气体CO2的微观能量组成

Table 2 Microscopic energy composition of CO2 with different impurities at different temperatures and pressures

温度/K	压力/MPa	能量类型	微观势能/(kJ $⋅$ mol^-1)
温度/K	压力/MPa	能量类型	CO	OCS	CH₄	C₂H₆	C₂H₄	C₃H₈	H₂
253.15	10.0	非键相互作用能	5.877	5.090	10.339	38.979	62.160	19.288	2.976
		范德华相互作用能	1.733	6.136	7.262	73.880	71.746	36.605	6.015
		静电势能	5.488	5.203	5.450	61.113	340.435	34.705	2.495
253.15	20.0	非键相互作用能	4.810	0.582	7.878	29.967	411.762	20.766	5.931
		范德华相互作用能	8.359	5.274	7.639	6.476	41.034	14.826	8.422
		静电势能	9.016	5.626	4.504	19.937	411.930	29.477	2.491
253.15	30.0	非键相互作用能	8.221	2.809	5.626	51.528	258.267	35.262	13.211
		范德华相互作用能	4.533	3.583	6.572	13.336	2.733	23.813	16.296
		静电势能	5.379	5.504	10.837	33.453	293.679	7.258	3.658
233.15	20.0	非键相互作用能	2.256	3.298	12.009	45.835	345.877	5.873	5.705
		范德华相互作用能	3.746	7.668	0.887	8.539	13.688	37.350	8.121
		静电势能	6.969	5.663	8.677	35.630	359.146	44.454	2.064
273.15	20.0	非键相互作用能	6.245	9.267	8.974	13.198	275.722	34.466	6.157
		范德华相互作用能	3.759	5.467	5.190	12.470	5.128	41.792	11.159
		静电势能	5.994	4.157	8.698	37.936	127.041	30.075	2.507

表2 不同温度和压力下含不同杂质气体CO2的微观能量组成

Table 2 Microscopic energy composition of CO2 with different impurities at different temperatures and pressures

温度/K	压力/MPa	能量类型	微观势能/(kJ $⋅$ mol^-1)
温度/K	压力/MPa	能量类型	CO	OCS	CH₄	C₂H₆	C₂H₄	C₃H₈	H₂
253.15	10.0	非键相互作用能	5.877	5.090	10.339	38.979	62.160	19.288	2.976
		范德华相互作用能	1.733	6.136	7.262	73.880	71.746	36.605	6.015
		静电势能	5.488	5.203	5.450	61.113	340.435	34.705	2.495
253.15	20.0	非键相互作用能	4.810	0.582	7.878	29.967	411.762	20.766	5.931
		范德华相互作用能	8.359	5.274	7.639	6.476	41.034	14.826	8.422
		静电势能	9.016	5.626	4.504	19.937	411.930	29.477	2.491
253.15	30.0	非键相互作用能	8.221	2.809	5.626	51.528	258.267	35.262	13.211
		范德华相互作用能	4.533	3.583	6.572	13.336	2.733	23.813	16.296
		静电势能	5.379	5.504	10.837	33.453	293.679	7.258	3.658
233.15	20.0	非键相互作用能	2.256	3.298	12.009	45.835	345.877	5.873	5.705
		范德华相互作用能	3.746	7.668	0.887	8.539	13.688	37.350	8.121
		静电势能	6.969	5.663	8.677	35.630	359.146	44.454	2.064
273.15	20.0	非键相互作用能	6.245	9.267	8.974	13.198	275.722	34.466	6.157
		范德华相互作用能	3.759	5.467	5.190	12.470	5.128	41.792	11.159
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含杂质CO₂物性变化规律及其机理研究

Study on Physical Property Changes and Their Mechanism of Carbon Dioxide Containing Impurities

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