分子模拟在化学工程中的应用

总结了不同尺度分子模拟技术在化工中的发展现状,利用量化计算的方法,可以研究纳微尺度表界面的活性及其对催化反应的影响。采用分子动力学模拟可很方便地研究受限条件下流体行为,采用粗粒化模拟技术可研究介观结构。最后介绍了反应力场模拟这种涵盖反应和传递的模拟新方法。随着模拟理论和并行技术的进步,分子模拟的定量化程度越来越高,必将与化工应用的实验结果越来越有可比性,从而在化工生产和实践中担当更重要的角色。     

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.     

正渗透过程中的分子动力学模拟研究

采用分子动力学模拟方法,利用Materials Studio 6.0软件模拟计算了H_2O、Na~+、Cl~-在正渗透膜内的扩散系数。同时模拟研究了三种不同环境温度、溶液浓度下,三种粒子在正渗透膜内扩散系数的变化规律。实验结论与模拟结果一致,即溶液浓度不变的情况下,扩散系数随着温度的升高而增大;环境温度不变的情况下,扩散系数随着溶液浓度的增大而减小。     

分子动力学模拟在环氧基复合材料中的应用

综述了分子动力学模拟在环氧基复合材料研究中的应用以及模拟结果的有效性,概叙了分子动力学模拟中应用的几种分子力场,以及固化剂的选择对固化材料的密度、热机械性能及玻璃化转变温度(T_g)的影响,并对分子动力学模拟的发展趋势作了展望。     

动态模拟技术与化学工程

介绍了化工过程动态模拟技术及相应软件的发展与应用状况 ,总结了动态模拟技术的最新进展。指出动态模拟技术应当与动态优化技术相结合 ,动态计算机网络管理将实现石油化工过程的连续实时优化 ,动态模拟技术将向工艺流程和生产方案的合成、能量系统集成、结合生态工业园区实例进行动态流程模拟等方向发展     

液态甲醇的分子动力学模拟

应用分子动力学模拟方法系统地研究了温度为298、550和950K,密度为0.78g/cm3的液态甲醇的微观结构和动力学性质。研究发现,随着温度的增加,甲醇体系的径向分布函数的峰位整体左移,第一峰峰值下降,峰谷上升;自扩散系数随温度增加而增大。     

液体水的分子动力学模拟

采用ＳＰＣ水模型在２５℃下对水进行了正则系综的分子动力学模拟,考察了液态水的平衡、结构和扩散性质。计算了水的原子对径向分布函数、配位数并同Ｘ射线衍射实验值作了对比,模拟结果与实验值吻合良好。氢键分析表明每个水分子的氢键配位数约为３．６６,氢键键角为１６５°。扩散性质的模拟与实验值的吻合也基本良好。模拟表明ＳＰＣ水模型是一个形式简单又能反映体系本质的位能,本文工作为今后更复杂水溶液体系的模拟打下了良好的基础。     

离子水化的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟的方法在 2 98 1 5K及无限稀释条件下对Li+、Na+、K+、F- 、Cl- 5种单个离子的水化现象进行研究 模拟得到了离子溶液体系一幅清晰的微观物理图像 ,阳离子周围的水分子以氧来靠近阳离子 ,而阴离子周围的水分子则以其中某一个氢来逼近阴离子 提出了一个“水化因子”的新概念来定量地表征离子水化的强弱 ,阳离子水化的强弱顺序为Li+>Na+>K+ 阴离子水化强弱顺序为F- >Cl- 对于水化作用较强的Li+,其虽有第二配位圈 ,但并无水化 离子的Pauling半径大小是决定离子水化强弱的关键因素 ,这些信息将为建立相应的分子热力学模型提供基础     

氨基酸扩散系数的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟的方法模拟了298. 15 K正则系综下甘氨酸、丙氨酸等12种氨基酸在水中的扩散过程，扩散系数的计算采用微分-区限变分法。计算结果表明：相同浓度下按不同分子数样本计算得到的扩散系数有较大差别，且分子数越多则模拟结果越接近于实验值。5种氨基酸在水中的扩散系数与文献值相对比，误差小于7%。还用同样的方法模拟了氧气在水中的扩散过程，模拟结果与实验结果吻合也较好。实验表明采用分子模拟手段可以获得具有工业应用价值的扩散系数，从而有助于计算传质学的发展。     

分子动力学模拟基本原理及研究进展

阐述了分子动力学模拟的基本原理,介绍了分子动力学的牛顿运动方程、相关有限差分算法、边界条件的选取以及热力学性质的计算.最后还指出了分子动力学模拟方法进一步研究方向.     

分子模拟在化工应用中的若干问题及思考

随着高技术学科的飞速进步,化工学科在多年来已形成的理论和实验研究之外,又产生了一种完全独立而新颖的研究手段——分子模拟.目前化学工业受关注的新技术涉及聚合物、电解质等复杂物质,临界、超临界等复杂状态,界面、膜、溶液等复杂现象.实现化学工业从产品到过程设计完全自动化,在这些方面除了准确的物性数据外,更要对各种复杂现象的机理有深刻了解.分子模拟被认为是实现这一目标的关键技术之一.本文以分子动力学为主,结合计算量子化学,对分子模拟在化工应用中的若干问题进行讨论.     

ReaxFF方法研究的褐煤热解过程中硫的迁移机理

采用ReaxFF(reactive force field,活性反应力场)分子动力学方法模拟了褐煤在1000K~2 000K下的热解过程,分析了热解温度对热解产物分布的影响,搜寻到了噻吩、硫酚和硫醚中硫元素迁移的基元反应以及热解产物中硫原子的存在形式.结果表明,热解温度是影响热解产物中硫元素分布的一个重要因素,高温会抑制硫从褐煤中逸出.在热解过程中,噻吩、硫酚和硫醚中的硫原子会通过硫自由基中间体进行相互转化.在热解结束时大多数硫原子以噻吩和硫醚的形式存在.     

斜发沸石Na+/K+交换过程的分子动力学模拟

使用Materials Studio软件包中的CASTEP模块对斜发沸石(Si与Al的摩尔比为4)孔道中的Na+徙轨迹、水合Na斜发沸石孔道中Na+与水分子的构象、以及孔道中K+-Na+的离子交换过程进行了模拟研究.结果表明:在含有Na+的斜发沸石孔道中,由于八元环骨架中的Al/Si取代位的局部结构形变所引起晶格能量的扰动,导致Na+被吸引在该取代位;Al原子在孔道中的分布决定着孔道中Na+的分布,且孔道中的H2O有将Na+固定在沸石骨架上的趋势:由于沸石孔道中不同离子间和孔道中的阳离子与骨架上的原子间的相互作用,导致沸石孔道中K+和Na+发生离子交换,证明了斜发沸石具有优先选择K+的特性,得出的K-斜发沸石的结构参数与文献吻合较好.     

应用分子模拟求取流体化学势的新途径

提出了分子模拟中求取流体化学势的新途径——参考试验粒子方法、通过适当选择参考试验粒子,避免了试验粒子的插入操作和计算,同时解决了移出粒子方法在Metropolis取样构型中难以得到正确结果的缺陷.应用该方法对ρσ~3=0.5和 0.65的硬球流体以及kT/ε=1.2时ρσ~3=0.65、0.70、0.80、0.90的Lennard-Jones流体的研究结果表明,该方法具有收敛快、计算量小和精度高的优点.     

同核双原子分子流体液汽界面的分子动力学模拟研究

引言流体的界面性质是化工、冶金、材料等工业生产和设计过程中所需的重要基础物性,近年来采用分子模拟方法从微观角度考察流体界面性质的研究日趋活跃。界面体系的分子模拟较为复杂、费时。目前对简单的球形单原子模型流体及其二元混合物液汽界面体系的研究已较为深入,如Holcomb等采用分子动力学（MD）模拟方法较系统地对Lennard-Jones(LJ）流体的液汽界面进行了研究;郭明学和李以圭采用等概率扰动MonteCarlo（MC）模拟方法考察了方阱流体的液汽界面,但对多原子非球形分子模型流体液汽界面体系的研究报道则很少,只有Thompson,Gu…     

分子计算科学——化学工程新的生长点

当今化学工业面临的巨大挑战是如何推出性能卓越、功能齐备同时环境友好的新产品新材料.分子计算科学是研究物质结构-性质关系的强大工具，在新产品新材料的设计中举足轻重，因而会成为化学工程新的生长点.在层次化研究的框架下，分子计算科学包括量子力学层次、统计力学层次、介观层次以及连接各个层次的对接技术.本文分别介绍了各个层次的主要内容，特别是统计力学层次最近的研究进展，以及分子计算科学越来越趋向应用到实际复杂体系的发展趋势.     

有机物在超临界CO2中无限稀释扩散系数的分子动力学模拟

根据物质的实验临界常数或与物质最基本分子结构相关的Joback或Lydersen临界常数估算法得到物质的临界常数,结合Lennard-Jones流体的对比状态方程,按照对应态原理得到了38种有机物分子的新的Lennard-Jones位能参数。由这些位能参数结合简单的组合规则,首次对一些高附加值的复杂实用有机物在313.15　K、16MPa的超临界CO     

有机物在超临界CO_2中无限稀释扩散系数的分子动力学模拟

根据物质的实验临界常数或与物质最基本分子结构相关的Joback或Lydersen临界常数估算法得到物质的临界常数,结合Lennard-Joned流体的对比状态方程,按照对应态原理得到了38种有机物分子的新的Lennard-Jones位能参数.由这些位能参数结合简单的组合规则,首次对一些高附加值的复杂实用有机物在313.15 K、16 MPa的超临界CO_2中的无限稀释扩散系数采用分子动力学模拟的方法进行了研究.模拟结果表明,采用这种新思路可以有效地预测超临界体系的扩散性质,满足超临界萃取工艺开发和设计的需要.