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煤体瓦斯热力学
作者：冯增朝，周动，赵东 著
出版社：科学出版社
出版时间：2021-10-01
ISBN：9787030636317
定价：¥118.00
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内容简介
《煤体瓦斯热力学=Thermodynamics of Gas in Coal Seam》详细地阐述了煤体与甲烷相互作用的热量变化物理机制，以及温度对煤体中甲烷解吸及运移的控制机制。《煤体瓦斯热力学=Thermodynamics of Gas in Coal Seam》分为相对独立的上下两篇。上篇主要讲述煤体与甲烷的热物理作用，包括吸附热理论、煤的非均匀势阱理论及基于红外热成像的煤中甲烷富集的分形规律；下篇主要讲述温度与水对煤吸附特性的影响规律，以及温度和应力共同作用下煤体中气液两相流动规律。
作者简介
暂缺《煤体瓦斯热力学》作者简介
目录
目录
前言
第一章 煤体瓦斯热力学引论 1
1.1 煤体瓦斯热力学的基本概念 1
1.2 煤体瓦斯热力学研究构架 2
参考文献 5
上篇 煤体与甲烷的热物理作用
第二章 甲烷分子间的相互作用及凝聚现象 9
2.1 分子间的相互作用 9
2.1.1 甲烷的分子结构特征 9
2.1.2 分子间作用力 9
2.1.3 几种常用的势能模型 11
2.1.4 系综理论 16
2.2 气-液凝聚现象 19
2.2.1 范德瓦耳斯方程对理想气体方程的修正 20
2.2.2 范德瓦耳斯方程的统计力学解释 22
2.2.3 其他状态方程 26
2.2.4 等温线 26
2.2.5 临界现象 29
2.3 凝聚热理论计算 31
2.3.1 克劳修斯-克拉珀龙方程 31
2.3.2 范德瓦耳斯方程常数得到的凝聚热 32
参考文献 33
第三章 煤与甲烷的吸附现象及吸附热 36
3.1 煤体的基本特性 36
3.1.1 煤的分子结构特征 36
3.1.2 煤体的孔隙与裂隙结构特征 37
3.1.3 煤体表面特征 44
3.2 固-气吸附现象 46
3.2.1 朗缪尔方程——单分子层吸附 47
3.2.2 BET方程—多分子层吸附 56
3.2.3 吸附等温线 58
3.2.4 固-气吸附的影响因素 62
3.3 吸附热理论 63
3.3.1 等量吸附热 64
3.3.2 吸附势理论 65
3.3.3 两能态简化模型 67
3.3.4 朗缪尔单分子层统计力学模型 70
3.3.5 模型之间的联系和区别 73
3.3.6 化学势对吸附热的影响 76
参考文献 77
第四章 煤的非均匀势阱吸附甲烷规律 79
4.1 煤的非均匀势阱吸附甲烷理论模型 79
4.2 煤的非均匀势阱吸附甲烷特征实验研究 81
4.2.1 非均匀势阱煤体吸附甲烷规律 82
4.2.2 温度与吸附压力对煤与甲烷吸附热的影响 83
4.3 基于吸附动力学的煤非均匀势阱吸附甲烷特征数值模拟 86
4.3.1 煤与甲烷模型建立与吸附过程数值模拟 86
4.3.2 非均匀势阱的等温吸附特征 88
4.3.3 非均匀势阱的等压吸附特征 90
4.3.4 覆盖率对压力与温度的敏感性 92
4.3.5 煤与甲烷非均匀势阱等温吸附方程 93
4.4 非均匀势阱煤体的甲烷吸附量计算方法 95
4.4.1 非均匀势阱煤体的等温甲烷吸附过程中朗缪尔参数a与b的变化规律 95
4.4.2 朗缪尔方法与非均匀势阱煤体的甲烷吸附量计算精度 98
4.5 甲烷分子在孔喉空间的通过性 102
4.5.1 甲烷在孔喉空间的势能 103
4.5.2 含微孔孔喉的阻塞孔特性 107
4.5.3 甲烷分子在微孔孔喉通过性的影响因素 108
4.6 微孔孔喉对甲烷吸附/解吸动力学特性的影响 110
4.6.1 含孔喉结构微孔解吸甲烷的数值模型 110
4.6.2 微孔孔喉对甲烷解吸动力学特性的影响 111
4.6.3 微孔孔喉对甲烷解吸滞后特征的影响 114
参考文献 115
第五章 煤体细观结构吸附甲烷特征 117
5.1 煤体细观结构的观测研究 117
5.1.1 材料的细观结构及其研究方法 117
5.1.2 煤样制备与SEM-EDS测试 119
5.1.3 煤样CT与表面层提取方法 120
5.2 煤岩细观结构特征与分类 122
5.2.1 煤岩SEM-EDS特征及其分类 122
5.2.2 基于EDS面扫描的煤细观结构定量化描述 126
5.2.3 基于CT扫描煤岩密度分布特征 132
5.3 煤体细观结构吸附/解吸甲烷温度变化规律 132
5.3.1 煤吸附/解吸甲烷红外热成像实验研究 132
5.3.2 煤吸附/解吸甲烷温度变化的非均匀特征 134
5.3.3 煤不同细观结构温度变化特征 138
5.4 甲烷在煤体细观结构的分布与演化 142
5.4.1 煤中不同细观结构的非均匀势阱分布特征 142
5.4.2 煤中甲烷分布特征随吸附压力变化规律 144
5.4.3 煤中甲烷富集区域分布的分形特征 147
参考文献 150
下篇 热与水作用下煤体中甲烷运移
第六章 高温条件下煤吸附/解吸甲烷特性实验 153
6.1 高温吸附/解吸的实验 153
6.1.1 高温吸附实验装置 153
6.1.2 试样的选取和加工 155
6.1.3 高温吸附/解吸实验 155
6.2 煤体高温吸附/解吸甲烷的特征 157
6.2.1 定压、定容解吸特性分析 157
6.2.2 温度、压力共同作用的煤体解吸甲烷机制 162
6.2.3 定容、定压吸附特性分析 164
6.2.4 等温吸附特性分析 166
6.3 结合吸附理论对结果的综合分析讨论 168
6.3.1 吸附模型的确定 168
6.3.2 吸附参数a、b的分析和讨论 169
6.3.3 温度单一因素对吸附参数a、b的影响 170
参考文献 170
第七章 水作用下高温煤体解吸甲烷的特性 172
7.1 水作用下高温吸附/解吸实验 172
7.1.1 含水煤高温吸附实验装置 172
7.1.2 含水煤高温吸附实验介绍 175
7.2 水作用下高温解吸实验结果 175
7.2.1 实验数据和参数的定义 175
7.2.2 瓦斯解吸率随温度的变化规律 176
7.2.3 试样累计解吸率随温度的变化 179
7.3 水作用下甲烷高温解吸特性 179
7.3.1 温度对煤体解吸性的影响及规律 179
7.3.2 多种煤层气开采方案的效率对比 181
7.4 含水煤体定容吸附实验 182
7.4.1 实验样品、装置及实验过程 182
7.4.2 吸附速率和吸附能力分析 183
7.4.3 预先水作用的煤体吸附性讨论 187
7.4.4 煤体预先含水吸附的微观机制研究 188
参考文献 190
第八章 煤层气气液两相流动界面模型及渗流 191
8.1 气液两相流动界面理论 191
8.2 气液两相流动界面模型 194
8.2.1 不计压缩性两相驱替界面模型 194
8.2.2 压缩性两相驱替界面模型 196
8.2.3 拟压力函数方程驱替界面模型 200
8.3 气液两相流动界面模型验证 203
8.3.1 非稳态气水两相流实验 203
8.3.2 不计压缩性两相驱替界面模型数值模拟 207
8.3.3 压缩性两相驱替界面模型数值模拟 211
8.3.4 拟压力函数方程驱替界面模型数值模拟 215
参考文献 220
第九章 温度应力作用下煤体气液两相流动 221
9.1 温度控制下气液两相流实验 221
9.1.1 气液两相流实验设备及试件 221
9.1.2 气液两相流实验方案与步骤 222
9.2 温度对气液两相渗流过程的影响 223
9.2.1 温度对产液阶段的影响 223
9.2.2 温度对气液两相渗流各阶段的影响 224
9.3 温度作用下气液两相流体渗流规律 228
9.3.1 温度对单相流体渗流影响 228
9.3.2 温度对气液两相相对渗透率的影响 232
9.4 温度及应力作用下气液两相流变化规律 234
9.5 气液两相产出过程温度敏感性分析 235
参考文献 237
CONTENTS
Preface
Chapter 1 Introduction 1
1.1 The Concept of Thermodynamics of Gas in Coal 1
1.2 The Research Content and Method of Thermodynamics of Gas in Coal 2
Reference 5
Section Ⅰ：Thermophysical Interaction between Coal and Methane
Chapter 2 Interactions and Condensation in Methane Molecules 9
2.1 Intermolecular Interaction 9
2.1.1 The Molecular Structure of Methane 9
2.1.2 Intermolecular Force 9
2.1.3 Several Commonly Used Potential Energy Models 11
2.1.4 The Theory of Statistical Ensemble 16
2.2 The Phenomenon of Gas-Liquid Condensation 19
2.2.1 The Modification of van der Waals Equation to the Ideal Gas Equation 20
2.2.2 Explain with the Statistical Mechanics of van der Waals Equation 22
2.2.3 The Others State Equations 26
2.2.4 Isotherm 26
2.2.5 Critical Phenomenon 29
2.3 The Theoretical Calculation of Condensation Heat 31
2.3.1 The Equation of Benoit Pierre Emile Clapeyron 31
2.3.2 Condensation Heat form van der Waals Equation 32
Reference 33
Chapter 3 The Adsorption’s Phenomenon and Heat in Coal and Methane 36
3.1 The Characteristics of Coal 36
3.1.1 Molecular Structure of Coal 36
3.1.2 Structural Characteristics of Coal Pores and Fractures 37
3.1.3 The Surface’s Features of Coal 44
3.2 The Phenomenon of Adsorption in Solid-Gas 46
3.2.1 Langmuir Equation-Monolayer Adsorption 47
3.2.2 BET Equation-Multilayer Adsorption 56
3.2.3 The Isotherm of Adsorption 58
3.2.4 Factors of Affecting Adsorption in Solid-Gas 62
3.3 The Theory of Adsorption Heat 63
3.3.1 Heat of Equal Adso
前言
第一章 煤体瓦斯热力学引论 1
1.1 煤体瓦斯热力学的基本概念 1
1.2 煤体瓦斯热力学研究构架 2
参考文献 5
上篇 煤体与甲烷的热物理作用
第二章 甲烷分子间的相互作用及凝聚现象 9
2.1 分子间的相互作用 9
2.1.1 甲烷的分子结构特征 9
2.1.2 分子间作用力 9
2.1.3 几种常用的势能模型 11
2.1.4 系综理论 16
2.2 气-液凝聚现象 19
2.2.1 范德瓦耳斯方程对理想气体方程的修正 20
2.2.2 范德瓦耳斯方程的统计力学解释 22
2.2.3 其他状态方程 26
2.2.4 等温线 26
2.2.5 临界现象 29
2.3 凝聚热理论计算 31
2.3.1 克劳修斯-克拉珀龙方程 31
2.3.2 范德瓦耳斯方程常数得到的凝聚热 32
参考文献 33
第三章 煤与甲烷的吸附现象及吸附热 36
3.1 煤体的基本特性 36
3.1.1 煤的分子结构特征 36
3.1.2 煤体的孔隙与裂隙结构特征 37
3.1.3 煤体表面特征 44
3.2 固-气吸附现象 46
3.2.1 朗缪尔方程——单分子层吸附 47
3.2.2 BET方程—多分子层吸附 56
3.2.3 吸附等温线 58
3.2.4 固-气吸附的影响因素 62
3.3 吸附热理论 63
3.3.1 等量吸附热 64
3.3.2 吸附势理论 65
3.3.3 两能态简化模型 67
3.3.4 朗缪尔单分子层统计力学模型 70
3.3.5 模型之间的联系和区别 73
3.3.6 化学势对吸附热的影响 76
参考文献 77
第四章 煤的非均匀势阱吸附甲烷规律 79
4.1 煤的非均匀势阱吸附甲烷理论模型 79
4.2 煤的非均匀势阱吸附甲烷特征实验研究 81
4.2.1 非均匀势阱煤体吸附甲烷规律 82
4.2.2 温度与吸附压力对煤与甲烷吸附热的影响 83
4.3 基于吸附动力学的煤非均匀势阱吸附甲烷特征数值模拟 86
4.3.1 煤与甲烷模型建立与吸附过程数值模拟 86
4.3.2 非均匀势阱的等温吸附特征 88
4.3.3 非均匀势阱的等压吸附特征 90
4.3.4 覆盖率对压力与温度的敏感性 92
4.3.5 煤与甲烷非均匀势阱等温吸附方程 93
4.4 非均匀势阱煤体的甲烷吸附量计算方法 95
4.4.1 非均匀势阱煤体的等温甲烷吸附过程中朗缪尔参数a与b的变化规律 95
4.4.2 朗缪尔方法与非均匀势阱煤体的甲烷吸附量计算精度 98
4.5 甲烷分子在孔喉空间的通过性 102
4.5.1 甲烷在孔喉空间的势能 103
4.5.2 含微孔孔喉的阻塞孔特性 107
4.5.3 甲烷分子在微孔孔喉通过性的影响因素 108
4.6 微孔孔喉对甲烷吸附/解吸动力学特性的影响 110
4.6.1 含孔喉结构微孔解吸甲烷的数值模型 110
4.6.2 微孔孔喉对甲烷解吸动力学特性的影响 111
4.6.3 微孔孔喉对甲烷解吸滞后特征的影响 114
参考文献 115
第五章 煤体细观结构吸附甲烷特征 117
5.1 煤体细观结构的观测研究 117
5.1.1 材料的细观结构及其研究方法 117
5.1.2 煤样制备与SEM-EDS测试 119
5.1.3 煤样CT与表面层提取方法 120
5.2 煤岩细观结构特征与分类 122
5.2.1 煤岩SEM-EDS特征及其分类 122
5.2.2 基于EDS面扫描的煤细观结构定量化描述 126
5.2.3 基于CT扫描煤岩密度分布特征 132
5.3 煤体细观结构吸附/解吸甲烷温度变化规律 132
5.3.1 煤吸附/解吸甲烷红外热成像实验研究 132
5.3.2 煤吸附/解吸甲烷温度变化的非均匀特征 134
5.3.3 煤不同细观结构温度变化特征 138
5.4 甲烷在煤体细观结构的分布与演化 142
5.4.1 煤中不同细观结构的非均匀势阱分布特征 142
5.4.2 煤中甲烷分布特征随吸附压力变化规律 144
5.4.3 煤中甲烷富集区域分布的分形特征 147
参考文献 150
下篇 热与水作用下煤体中甲烷运移
第六章 高温条件下煤吸附/解吸甲烷特性实验 153
6.1 高温吸附/解吸的实验 153
6.1.1 高温吸附实验装置 153
6.1.2 试样的选取和加工 155
6.1.3 高温吸附/解吸实验 155
6.2 煤体高温吸附/解吸甲烷的特征 157
6.2.1 定压、定容解吸特性分析 157
6.2.2 温度、压力共同作用的煤体解吸甲烷机制 162
6.2.3 定容、定压吸附特性分析 164
6.2.4 等温吸附特性分析 166
6.3 结合吸附理论对结果的综合分析讨论 168
6.3.1 吸附模型的确定 168
6.3.2 吸附参数a、b的分析和讨论 169
6.3.3 温度单一因素对吸附参数a、b的影响 170
参考文献 170
第七章 水作用下高温煤体解吸甲烷的特性 172
7.1 水作用下高温吸附/解吸实验 172
7.1.1 含水煤高温吸附实验装置 172
7.1.2 含水煤高温吸附实验介绍 175
7.2 水作用下高温解吸实验结果 175
7.2.1 实验数据和参数的定义 175
7.2.2 瓦斯解吸率随温度的变化规律 176
7.2.3 试样累计解吸率随温度的变化 179
7.3 水作用下甲烷高温解吸特性 179
7.3.1 温度对煤体解吸性的影响及规律 179
7.3.2 多种煤层气开采方案的效率对比 181
7.4 含水煤体定容吸附实验 182
7.4.1 实验样品、装置及实验过程 182
7.4.2 吸附速率和吸附能力分析 183
7.4.3 预先水作用的煤体吸附性讨论 187
7.4.4 煤体预先含水吸附的微观机制研究 188
参考文献 190
第八章 煤层气气液两相流动界面模型及渗流 191
8.1 气液两相流动界面理论 191
8.2 气液两相流动界面模型 194
8.2.1 不计压缩性两相驱替界面模型 194
8.2.2 压缩性两相驱替界面模型 196
8.2.3 拟压力函数方程驱替界面模型 200
8.3 气液两相流动界面模型验证 203
8.3.1 非稳态气水两相流实验 203
8.3.2 不计压缩性两相驱替界面模型数值模拟 207
8.3.3 压缩性两相驱替界面模型数值模拟 211
8.3.4 拟压力函数方程驱替界面模型数值模拟 215
参考文献 220
第九章 温度应力作用下煤体气液两相流动 221
9.1 温度控制下气液两相流实验 221
9.1.1 气液两相流实验设备及试件 221
9.1.2 气液两相流实验方案与步骤 222
9.2 温度对气液两相渗流过程的影响 223
9.2.1 温度对产液阶段的影响 223
9.2.2 温度对气液两相渗流各阶段的影响 224
9.3 温度作用下气液两相流体渗流规律 228
9.3.1 温度对单相流体渗流影响 228
9.3.2 温度对气液两相相对渗透率的影响 232
9.4 温度及应力作用下气液两相流变化规律 234
9.5 气液两相产出过程温度敏感性分析 235
参考文献 237
CONTENTS
Preface
Chapter 1 Introduction 1
1.1 The Concept of Thermodynamics of Gas in Coal 1
1.2 The Research Content and Method of Thermodynamics of Gas in Coal 2
Reference 5
Section Ⅰ：Thermophysical Interaction between Coal and Methane
Chapter 2 Interactions and Condensation in Methane Molecules 9
2.1 Intermolecular Interaction 9
2.1.1 The Molecular Structure of Methane 9
2.1.2 Intermolecular Force 9
2.1.3 Several Commonly Used Potential Energy Models 11
2.1.4 The Theory of Statistical Ensemble 16
2.2 The Phenomenon of Gas-Liquid Condensation 19
2.2.1 The Modification of van der Waals Equation to the Ideal Gas Equation 20
2.2.2 Explain with the Statistical Mechanics of van der Waals Equation 22
2.2.3 The Others State Equations 26
2.2.4 Isotherm 26
2.2.5 Critical Phenomenon 29
2.3 The Theoretical Calculation of Condensation Heat 31
2.3.1 The Equation of Benoit Pierre Emile Clapeyron 31
2.3.2 Condensation Heat form van der Waals Equation 32
Reference 33
Chapter 3 The Adsorption’s Phenomenon and Heat in Coal and Methane 36
3.1 The Characteristics of Coal 36
3.1.1 Molecular Structure of Coal 36
3.1.2 Structural Characteristics of Coal Pores and Fractures 37
3.1.3 The Surface’s Features of Coal 44
3.2 The Phenomenon of Adsorption in Solid-Gas 46
3.2.1 Langmuir Equation-Monolayer Adsorption 47
3.2.2 BET Equation-Multilayer Adsorption 56
3.2.3 The Isotherm of Adsorption 58
3.2.4 Factors of Affecting Adsorption in Solid-Gas 62
3.3 The Theory of Adsorption Heat 63
3.3.1 Heat of Equal Adso
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