クラスレート水和物の相平衡条件の分子論的予測手法の開発

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15H02222
• Research Institution: Keio University
• Principal Investigator: 泰岡 顕治 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (40306874)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: 分子シミュレーション / クラスレート水和物 / 相平衡 / 充填率

Outline of Annual Research Achievements

以下の2つのシミュレーションをそれぞれ行った．(1)クラスレート水和物/水/メタンの系において相平衡条件を決定するための分子動力学シミュレーションを行った．平成27年度は，NPH（粒子数，圧力，エンタルピーが一定の系)およびNVT(粒子数,体積,温度が一定の系）のアンサンブルを用いて計算を行ったがNPHの系においては，気相，液相，固相の共存系での圧力制御が困難であることがわかった．また，NVTの系では計算を行うことが可能であることがわかった．これらの結果から，平成28年度は，NVTアンサンブルを用いて，複数の温度条件で相平衡条件を決定するための計算を行った．水モデルはTPI4P/Iceを用いた．その結果，これまで発表された他の研究者の結果よりも高圧側になることがわかった．他のほとんどの研究は，NPTアンサンブルでの計算であり，あるT, Pを決めた時に，その系の水和物が壊れた場合は，平衡条件より温度が高いと判断し，水和物が成長した場合は温度が低いと判断する方法であった．本来三相平衡条件においては，温度か圧力のどちらかを決めるともう一つは自動的に決まるが，この方法の場合では，そとから与えることで平衡条件と合致する温度・圧力条件であれば平衡状態のように振る舞うことを利用している．本研究では，Tを決めて，Pを自然に決まる方法を採用している．結果については，今後詳細を検討する予定である．(2)クラスレート水和物の中に充填されるゲスト分子の割合を計算するためのギプスアンサンブルモンテカル ロシミュレーションを行った．平成27年度はメタン水和物について行い，シミュレーションの方法の妥当性を検討した．平成28年度は，メタン/エタンの混合系について，構造I，構造IIのそれぞれの計算を行い,充填率の計算を行った．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

相平衡状態を予測する分子動力学シミュレーションと充填率を予測するギブスアンサンブルモンテカルロシミュレーションの2つのシミュレーションを計画したが，概ね順調に計算を行うことができた．

Strategy for Future Research Activity

平成28年度は，相平衡状態を予測する分子動力学シミュレーションではメタンをゲストとするもの，ギブスアンサンブルモンテカルロシミュレーションではメタン／エタンをの両方をゲストとするものを対象に研究を行った．平成29年度は，分子動力学シミュレーションではエタン，プロパン等の別のゲストについて開発した方法が妥当かどうかを検証する．また，ギブスアンサンブルモンテカルロシミュレーションでは水素をゲストとするものについて検証する．

Research Products

• [Int'l Joint Research] Colorado School of Mines(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: Colorado School of Mines
• [Journal Article] Cage Occupancy of Methane Hydrates from Gibbs Ensemble Monte Carlo Simulations (2016)
  • Author(s): Brumby, P. E., Yuhara, D., Wu, D. T., Sum, A. K. and Yasuoka, K.
  • Journal Title: Fluid Phase Equilibria Volume: 413 Pages: 242-248
  • DOI: 10.1016/j.fluid.2015.10.005
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] 分子シミュレーションを用いたメタンハイドレートの相平衡条件予測方法 (2016)
  • Author(s): 湯原大輔, Brumby P. E., Wu D. T., Sum, A. K., 泰岡顕治,
  • Organizer: 第30回分子シミュレーション討論会
  • Place of Presentation: 大阪大学豊中キャンパス（大阪府豊中市）
  • Year and Date: 2016-11-30 – 2016-12-02
• [Presentation] Equilibrium Molecular Dynamics Simulation of Three-Phase Coexistence System for Methane Hydrate (2016)
  • Author(s): Yuhara, D., Brumby, P. E., Wu, D. T., Sum, A. K. and Yasuoka, K.
  • Organizer: The 4th International Conference on Molecular Simulation(ICMS 2016)
  • Place of Presentation: The Crowne Plaza Shanghai Hotel (Shanghai, China)
  • Year and Date: 2016-10-23 – 2016-10-26
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The stability of binary ethane-methane clathrate hydrate for various gas phase compositions by isobaric-isothermal Gibbs Ensemble Monte Carlo (2016)
  • Author(s): Brumby, P., Yuhara, D., Wu, D. T., Sum, A. K. and Yasuoka, K.,
  • Organizer: The 4th International Conference on Molecular Simulation(ICMS 2016)
  • Place of Presentation: The Crowne Plaza Shanghai Hotel (Shanghai, China)
  • Year and Date: 2016-10-23 – 2016-10-26
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] NVT分子動力学シミュレーションを用いたメタンハイドレート/水/メタン系における三相平衡点の解析 (2016)
  • Author(s): 湯原大輔, Brumby, P. E., Wu, D. T., Sum A. K., 泰岡顕治
  • Organizer: 日本機械学会熱工学コンファレンス2016
  • Place of Presentation: 愛媛大学城北キャンパス（愛媛県松山市）
  • Year and Date: 2016-10-22 – 2016-10-23
• [Presentation] Gibbs Ensemble Monte Carlo simulations of ethane-methane hydrate (2016)
  • Author(s): Brumby, P., Yuhara, D. Wu, D. T., Sum, A. K. and Yasuoka, K.
  • Organizer: The 11th Asian Thermophysical Properties Conference(ATPC 2016)
  • Place of Presentation: Pacifico Yokohama Annex Hall, Yokohama, Japan
  • Year and Date: 2016-10-02 – 2016-10-06
  • Int'l Joint Research