水合物是由水分子和客体分子形成的一种类似冰的化合物。一方面它在工业上具有广阔的应用前景,如利用水合物法分离气体混合物、储存和运输天然气等;而另一方面在油气管道运输过程中却需要抑制水合物的生成。要理解与解决水合物生长、分解与抑制的技术问题,必须对其分子机制有一个基本的了解。对于水合物生长和分解的问题需要了解其形成动力学,对生成的温度、压力条件要有预先了解。对于抑制水合物成核和生长的问题需要考察不同动力学抑制剂的抑制能力及其最佳使用浓度。本论文构建了有/无动力学抑制剂的甲烷-水过饱和溶液体系。在该体系中利用分子模拟探究不同温度、压力条件下均相溶液的成核过程,从而分析温度和压力对水合物成核速度以及晶核生长速度的影响。继而考察动力学抑制剂对水合物成核的影响并分析其作用机制。具体内容如下:(1)使用分子动力学模拟方法模拟了温度对甲烷水合物成核的影响。通过比较体系构象、势能变化、水分子中氧原子的均方位移随时间的变化、径向分布函数以及统计体系中笼子总数随时间的变化来研究水合物的成核过程。模拟结果表明,在水合物成核温度范围内,温度越高成核数量越多,体系有序度越高。15 MPa下温度为275 K时体系的成核最为理想。(2)探究了压力对水合物成核的影响。通过比较体系构象、势能变化、氧原子的均方位移、体系中笼子总数随时间的变化,发现265 K时不同压力对水合物成核的影响区别不大。275 K时压力对成核的影响较大,表现出随着压力的增加,体系成核的数量先增加后略微减少的特点,其中以25 MPa时成核最为理想。通过研究25 MPa时体系中四种类型水合物笼子数量随时间的变化,进一步明晰了水合物的整个成核以及生长过程。(3)采用分子动力学方法模拟了在有动力学抑制剂的条件下气体水合物的成核过程。通过比较体系构象以及甲烷分子中碳原子的均方位移随时间的变化,发现三种抑制剂的抑制效果为PVP-A>PVP>PVP-E,与实验结果相吻合。抑制剂的作用途径为通过将溶液中的甲烷分子解吸出来降低溶液的饱和度,从而抑制了水合物的成核。此外研究了抑制剂浓度对其抑制性能的影响,发现对PVP-A而言,不同浓度的抑制效果为3.76 wt%≈2.59 wt%>1.39 wt%,较高浓度的抑制剂表现出了相似的抑制效果。因此,2.59 wt%为PVP-A最具性价比的使用浓度。研究结果可对实验室实验制备水合物、开发新型动力学抑制剂以及选择浓度用量提供一定的帮助。