分子模拟与化学工程

从分子水平来研究化工过程及产品的开发和设计是21世纪化学工程的一个重要方向.综述了计算机分子模拟中的MonteCarlo分子模拟和分子动力学模拟两种方法及其在化工中的应用,涉及分子模拟在建立状态方程和研究分子微观结构、相界面、扩散性质等方面的应用进展.指出分子模拟对化学工程的基础研究、工艺过程以及新产品开发将发挥巨大作用.     

加速Monte Carlo分子模拟收敛的能量选择取样法

为提高Monte Carlo分子模拟的取样效率,加速模拟过程的收敛,本文提出了根据粒子能量进行取样的方法。通过对凝固点附近的L-J流体的模拟,将能量选择取样法与Metropolis取样法以及力偏倚取样法的收敛性和模拟结果作了比较,表明能量选择取样法的收敛速度显著高于Metropolis取样法,与力偏倚取样法相当,而计算量比力偏倚取样法小。     

NPT系综Monte Carlo分子模拟方法的改进

通过调节体系密度使得体系的瞬时压力保持恒定,从而实现 NPT 系综的 Monte Carlo 分子模拟。对 Lennard-Jones 流体的模拟结果表明,该方法与现行的 NPT 系综模拟方法相比具有更快的收敛速度。本文应用改进的方法对 Ar-Kr 混合物的热力学性质进行了模拟。     

页岩中黏土矿物吸附特性分子模拟

页岩的吸附解吸特性对页岩气资源开发具有重要意义。为深入了解页岩中黏土矿物微观吸附机理, 利用Material Studio 分子模拟软件构建了伊利石、蒙脱石和高岭石3种黏土矿物分子模型, 采用巨正则Monte Carlo(GCMC)方法对3种模型的等温吸附量和吸附热进行了模拟计算。研究表明, 在相同温度和压力条件下3种黏土矿物对CH₄分子的吸附量大小顺序是伊利石>蒙脱石>高岭石;随压力增大3种黏土矿物对CH₄分子的吸附量均有所增加, 而且伊利石和蒙脱石对CH₄分子的吸附量对压力变化更为敏感;3种黏土矿物的等量吸附热均小于42 kJ·mol^-1, 对CH₄的吸附为物理吸附;随着温度的升高, CH₄分子的吸附热和吸附量均减小。     

聚苯乙烯与溶剂体系相容性的计算机模拟

使用推广的 Flory-Huggins理论结合 Monte Carlo法模拟聚苯乙烯与几种不同溶剂的相容性。用 Monte Carlo法从大量分子对中取样 ,计算配位数和相互作用能 ,将数据输入 Flory-Huggins格子模型中 ,估算出体系的混合自由能和相图 ,研究聚合度对聚苯乙烯与溶剂体系相容性的影响。模拟结果表明聚苯乙烯与甲苯等溶剂的相容性较好 ,与水等溶剂的相容性较差 ;随着聚苯乙烯聚合度增大 ,体系相容性变差 ;而且在聚合度较低时 ,相容性变差的程度更显著 ;以上结果与实际情况相符。     

分子尺度的复杂反应体系动力学模拟(Ⅰ) 原料分子的Monte Carlo模拟

以DCC I工艺的工业常规分析数据为基础 ,采用MonteCarlo模拟和结构导向集总相结合的方法在分子尺度上对复杂反应体系的动力学进行研究 .主要介绍了如何将原料转化为 10 0 0个分子 ,每个分子又以 19个特征表示的原料分子的MonteCarlo模拟 .结果表明生成的分子能很好地反映原料的特性 ,对原料性质的预测值和标定数据吻合得较好     

聚偏氟乙烯／蒙皂石超滤膜的制备及性能研究

以聚偏氟乙烯(PVDF)为原料,无机层状材料蒙皂石(MMT)为添加剂,通过溶胶-凝胶相转化法研制成PVDF/MMT超滤膜.考察了MMT质量分数在0%~9%范围内对铸膜液黏度、膜孔隙率、孔径、水通量、PEG20000截留率等性能的影响,以及相图和DSC曲线的变化.实验结果表明,MMT的加入使铸膜液的黏度增加,铸膜液呈现非牛顿流体中的假塑性流体的特性;当MMT加入质量分数为7%时,PVDF/MMT超滤膜水通量可达94.32 L·m-2·h-1,对PEG20000的截留率达95.2%.MMT的添加对成膜过程也有影响,从相图分析,加入MMT改变了液–固双节点的位置,铸膜液对非溶剂的容纳能力降低;而从DSC测试曲线得知PVDF/MMT膜的结晶度低于PVDF膜.     

分子尺度的复杂反应体系动力学模拟（Ⅰ）原料分子的Monte Carlo模拟

以DCC-I工艺的工业常规分析数据为基础,采用Monte Carlo模拟和结构导向集总相结合的方法在分子尺度上对复杂反应体系的动力学进行研究.主要介绍了如何将原料转化为1000个分子,每个分子又以19个特征表示的原料分子的Monte Carlo模拟.结果表明生成的分子能很好地反映原料的特性,对原料性质的预测值和标定数据吻合得较好.     

高分子构象模拟研究中的Monte Carlo方法

介绍了Monte Carlo方法及其特点,进而分析了Monte Carlo用于高分子模拟的优势,并描述了两类模拟模型。论文重点综述了近年来Monte Carlo方法在高分子构象模拟中的一些研究与应用,并展望了Monte Carlo方法在高分子构象模拟中的发展趋势和前景。     

CO_2/CH_4在活性炭上吸附与分离的分子模拟

Monte Carlo模拟（GCMC）研究了CO2和CH4在活性炭中的吸附情况。氢气和二氧化碳分子被模拟作Ken-nard-Jones球体,活性炭用一个裂缝气孔模型代替。研究了压力、温度、孔径活性炭对CO2（以CH4为基准）的选择性的影响。结果表明,低压、低温、孔径越小,选择性越大,即对分离CO2和CH4有利;233 K、孔径为2.29 nm以及低压下选择性达到10,此时分离效果较好。     

分子模拟技术在分子筛的吸附扩散研究中的应用

二分子模拟是近年发展起来的一门新兴计算化学技术.简要介绍了分子模拟技术的基本原理及其优点和缺点,重点阐述了分子模拟中的Monte Carlo分子模拟和分子动力学模拟两种方法及其在分子筛的吸附扩散研究中的应用.同时介绍了这两种组合方法的应用,最后展望了分子模拟技术的发展方向.     

NaY分子筛中苯分子吸附和扩散行为的分子模拟

In the article the Grand Canonical Monte Carlo (GCMC), molecular dynamics (MD), and kinetic Monte Carlo (KMC) simulations with particular focus on ascertaining the loading dependence of benzene diffusion in the zeolite were performed. First, a realistic representation of the structure of the sorbate-sorbent system was obtained based on GCMC simulation. The simulation clearly shows the characteristics of the adsorption sites of the benzene-NaY system, from which two kinds of preferably adsorbing sites for benzene molecules, called SII and W sites, are identified. The structure thus obtained was then used as a basis for KMC and MD simulations. A compara-tive study by introducing and comparing two different mechanisms underlying jump diffusion in the zeolite of in-terest shows that the MS diffusivity values predicted by the KMC and MD methods are fairly close to each other, leading to the conclusion that for benzene diffusion in NaY, the SII→W→SII jumps of benzene molecules are dominated, while the W→W jumps do not exist in the process. These findings provide further support to our previous conclusion about the absence of the W→W jumps in the process of benzene diffusion in NaY. Finally, two relations for predicting the self- and MS diffusivities were derived and found to be in fair agreement with the KMC and MD simulations.     

带电硬哑铃流体的分子热力学

Chemical potentials of charged hard-dumbbell fluids are obtained by Monte Carlo simulations using Widom‘s test-particle method, corresponding compressibility factors are achieved by integration of chemical potentials at different densities. A molecular thermodynamic model is also developed for these charged hard-dumbbell fluids where the residual Helmholtz function is composed of two terms: a reference term responsible for the charged hard spheres and a bonding contribution measuring the sticky interactions between positive and negative hard ions.Model predictions are in good agreement with simulation results.     

含能材料的量子化学计算与分子动力学模拟综述

从含能材料分子的热力学性质及爆轰性能、分解机理、感度、分子间相互作用及相容性、固体与界面性质和极端条件下的性质几个方面,综述量子化学(QC)和分子动力学模拟(MD)方法在含能材料中的应用。所涉及的方法主要为量子化学第一性原理和经典分子动力学模拟(包括分子反应动力学模拟),比较了各种方法的特点和适用范围,列举了一些典型实例。附参考文献57篇。     

Electronic Properties and Molecular Simulations of Polyoxometalates

Taking classical polyoxometalates such as Lindqvist, Keggin, Dawson, and Preyssler anions as the starting point, a walk is taken through the electronic and structural properties of polyoxoanions in solution. We will discuss nucleation mechanisms, redox properties, and isomerism of polyoxometalates. The effects of confinement on water molecules and cation distributions inside nanocapsules are other topics discussed in the present review.     

三元链状分子系统液液平衡的Monte Carlo模拟和分子热力学模型

在格子模型基础上,采用构型偏倚蒸发法（CBVM）对三元链状分子系统的液液平衡进行了Monte Carlo模拟,分别考查了分子链长和链节间相互作用参数对相区的影响。模拟发现,在保持交换能参数一定的情况下,互溶区随高分子之一的链长的增加而减小。在各组分链长不变的情况下,分相区随交换能的减小而增加。修正的Freed模型（RFT）可较满意地再现模拟结果,而Ftory—Huggins模型总是过低地估计互溶区。RFT模型可满意地关联和预测苯-庚烷-二甘醇系统的二元和三元液-液平衡数据。     

模拟在财务预测、决策中的应用

阐述了模拟在财务预算、决策中的应用及其优越性，结合模拟软件进行了案例分析。