超临界H2O/CO2/H2混合工质粘度的计算模拟研究

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超临界水煤气化技术是一种新颖的煤气化技术,基于超临界水煤气化技术和氢燃烧再热的多级汽轮机的热力循环系统能够高效清洁地将煤炭的化学能转化为电能。H2O、CO2和H2的混合工质既是超临界水煤气化的产物,也是该热力循环系统的工作流体(H2O/CO2二元混合工质和H2O/CO2/H2三元混合工质)。超临界水煤气化发电系统的设备的设计前提之一是获得工作流体的粘度值数据,如热交换器,汽轮机和管道的设计。到目前为止,还没有关于H2O/CO2二元混合工质和H2O/CO2/H2三元混合工质在水的超临界区域的粘度的实验数据和模拟研究。因此获得这些混合工质的粘度对超临界水煤气化实际应用具有重要价值。本文采用平衡分子动力学方法与多种经验和半经验的理论模型对H2O/CO2二元混合工质和H2O/CO2/H2三元混合工质的粘度进行了预测和研究。本文的主要工作如下:(1)通过平衡分子动力学方法模拟计算纯H2O,CO2和H2的粘度,并与NIST的数据进行比较,确定模拟分子动力学的策略并对后续研究中所需的分子力场模型进行筛选。模拟结果表明,水分子的SPC/fw模型、二氧化碳分子的Cygan模型和氢气分子的Two-site模型在预测纯工质粘度时平均相对误差都小于4%;(2)建立混合工质的粘度的分子动力学模型,模拟和计算CO2/H2二元混合物粘度,并将结果与实验数据进行比较,对所使用的分子力场模型和模拟策略进行有效性验证。模拟结果表明,使用L-B混合法则模拟计算CO2/H2二元混合物粘度的平均误差为6.5%;(3)对H2O/CO2二元混合物和H2O/CO2/H2混合物的粘度进行分子动力学模拟和理论公式计算,获得H2O/CO2二元混合物和H2O/CO2/H2混合物的粘度数据;(4)比较分子动力学方法与经验和半经验的理论模型的计算结果,分析不同方法的优缺点,并推荐使用EMD方法和Wilke公式用于预测H2O/CO2二元混合物和H2O/CO2/H2三元混合物的粘度;(5)通过分子动力学方法进一步分析H2O/CO2/H2混合物的自扩散系数和径向分布函数,研究了水中氢键数量在超临界工况下与温度和密度的相关性。
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