芳烃、环烷烃分子在MFI和FAU分子筛中扩散行为的分子模拟

 应用分子模拟技术计算了不同芳烃和环烷烃分子最低能量构象的分子尺寸(a×b×c),并计算了其在 MFI、FAU 分子筛中的扩散能垒。计算结果表明,分子的最小截面尺寸(a×b)与扩散能垒相关。苯、萘、环戊烷、环己烷分子可以在 MFI 分子筛中扩散,其它多环芳烃、多环环烷烃分子均很难扩散。分子在 MFI 直孔道中扩散比在正弦孔道中容易。FAU 分子筛由于孔径尺寸较大,分子在其孔道内扩散比在 MFI 孔道中容易,而两超笼间的十二元环会限制芘、全氢芘及比之更大的分子在 FAU 孔道中扩散。从计算结果可以推断,催化裂化原料中的重油大分子只有先在分子筛或其他活性材料表面一次裂化成一定尺寸的小分子,才能扩散进入 MFI、FAU 分子筛晶内发生进一步反应。     

吲哚在FAU分子筛中吸附行为的分子模拟研究

通过分子模拟的方法研究了劣质重油中典型的氮化物(吲哚)在4种不同硅铝比的FAU分子筛上的吸附行为。结果表明:在温度823K下,吲哚在4种FAU分子筛上的吸附量随着压力的增大而增加,并在800kPa左右达到饱和状态;在一定范围内,随着硅铝比的增大,分子筛孔道的自由体积增加,吲哚在FAU分子筛上的饱和吸附量增加;通过Langmuir关联,证明了吲哚在FAU分子筛上的吸附属于单分子层吸附;根据分子模拟结果可从微观角度解释FAU分子筛硅铝比对吲哚吸附性能的影响。     

VGO分子在FAU分子筛中的扩散研究

应用分子模拟技术计算了VGO模型化合物中刚性基团的尺寸和VGO分子尺寸,利用分子动力学模拟在800K催化裂化反应温度下VGO分子在FAU型分子筛内的扩散过程,并通过计算扩散穿透距离,研究不同类型VGO分子在FAU型分子筛内扩散能力的差异。结果表明:分子中刚性基团的尺寸和VGO分子碳链长度是影响VGO分子在FAU型分子筛内扩散能力的主要因素;直链烷烃的链长增加,烃分子在扩散时易发生卷曲,扩散能力降低;环烷烃、芳烃环数的增加或分子中含有支链会增加烃分子刚性基团的尺寸,进而降低烃分子的扩散能力;烃分子与多环芳烃混合进行扩散,难扩散的多环芳烃占据分子筛孔道,堵塞孔道而降低易扩散烃分子的扩散能力。     

噻吩及其与烯烃在Cu(I)Y分子筛中吸附的蒙特卡洛模拟

利用巨正则蒙特卡洛模拟方法研究了噻吩及其与烯烃混合后在Cu(I)Y分子筛中的吸附行为,选用噻吩质量分数为300 μg/g的正壬烷为模拟油进行吸附模拟,得到噻吩在Cu(I)Y分子筛中的吸附等温线、吸附分布照片和局部吸附构型,并分别模拟4种烯烃存在时对Cu(I)Y分子筛脱硫效果的影响。结果表明：噻吩在Cu(I)Y分子筛中的吸附为Langmuir型吸附,且高温不利于噻吩的吸附,同时由吸附照片观察到噻吩分子之间依靠分子间作用力相互聚集形成大的分子簇,进而填满Cu(I)Y分子筛超笼孔道;,Cu(I)Y分子筛对噻吩具有较好的吸附选择性,而烯烃对噻吩饱和吸附量影响由大到小的顺序为环己烯>1,5-己二烯>1-己烯>1-辛烯,同时从微观吸附构型可以看出环己烯与噻吩存在竞争吸附。     

噻吩及其与烯烃在Cu(Ⅰ)Y分子筛中吸附的蒙特卡洛模拟

利用巨正则蒙特卡洛模拟方法研究了噻吩及其与烯烃混合后在Cu(Ⅰ)Y分子筛中的吸附行为,选用含噻吩质量分数为300μg/g的正壬烷为模拟油进行吸附模拟,得到噻吩在Cu(Ⅰ)Y分子筛中的吸附等温线、吸附分布照片和局部吸附构型,并分别模拟4种烯烃存在时对Cu(Ⅰ)Y分子筛脱硫效果的影响。结果表明:噻吩在Cu(Ⅰ)Y分子筛中的吸附为Langmuir型吸附,且高温不利于噻吩的吸附,同时由吸附照片观察到噻吩分子之间依靠分子间作用力相互聚集形成大的分子簇,进而填满Cu(Ⅰ)Y分子筛超笼孔道;Cu(Ⅰ)Y分子筛对噻吩具有较好的吸附选择性,而烯烃对噻吩饱和吸附量影响由大到小的顺序为环己烯1,5-己二烯1-己烯1-辛烯,同时从微观吸附构型可以看出环己烯与噻吩存在竞争吸附。     

丙烯环氧化反应组分在TS-1中扩散行为的分子模拟

利用蒙特卡罗法(MC)及分子动力学(MD)方法,研究了钛硅分子筛（TS-1）催化丙烯环氧化反应中丙烯(C3H6)、过氧化氢（H2O2）及环氧丙烷（PO）在甲醇溶剂和分子筛中的扩散行为。计算了333K、400kPa时,C3H6/CH3OH、H2O2/CH3OH、PO/CH3OH混合体系在TS-1上的吸附等温线;在MC模拟基础上,计算了333K下C3H6、H2O2、PO在甲醇溶剂中的无限稀释浓度扩散系数和在TS-1中的扩散系数。研究发现,分子筛中吸附的分子个数对反应组分在分子筛中扩散有重要影响;在甲醇溶剂存在下,C3H6、H2O2主要在TS-1的直孔道中扩散,而PO则主要在曲折孔道扩散。     

FAU分子筛骨架中Al原子的分布规律及对BrØnsted酸强度的影响

采用量子力学/分子力学(QM/MM)相结合的方法研究了Al原子在FAU分子筛骨架中的分布和其对Brønsted酸强度的影响,分别计算了不同Al原子数目簇模型的Al/Si取代能和Brønsted酸中心的去质子能。结果表明：方钠石笼中Al原子数目小于6时,Al原子在骨架中呈有序分布;当Al原子数目大于6时,分子筛骨架结构稳定性降低,后续新增的Al原子在骨架中呈无序分布;在超笼结构单元中,Al原子优先落位在六元环,且与在四元环中的落位呈交替循环趋势;随着方钠石笼中Al原子数目的增加,Brønsted酸强度呈非线性趋势下降。次邻近(NNN)位置的Al原子对Brønsted酸中心H质子的电子诱导作用要强于下一个次邻近(NNNN)位置的Al原子,且随着Al原子数目的增加,前者对Brønsted酸强度的影响幅度更大。     

分子筛Brønsted酸可接近性对噻吩吸附和反应的影响

为研究分子筛孔道结构和Brønsted（B）酸中心可接近性对噻吩在分子筛中吸附和反应的影响,采用XRD、BET、SEM等方法研究了3种带十二元环孔道的分子筛结构性质,采用NH₃-TPD、Py-IR等技术研究了它们的酸性和B酸可接近性,并以噻吩为探针分子,利用原位红外技术研究了噻吩在分子筛中的吸附和转换。结果表明,HMOR和Hβ分子筛介孔孔径大于HY介孔孔径,而Hβ颗粒尺寸最小。HY拥有最大总酸量,而HMOR拥有以B酸为主的最强酸性。HY的B酸可接近性最差,HMOR和Hβ可接近性相近。噻吩在HY中吸附量最大并以物理吸附为主,而Hβ分子筛的小尺寸晶粒和双十二元环孔道特点对噻吩展现最高B酸催化效果。     

氮取代对环状烃在H-FAU分子筛中吸附性能的影响

催化裂化原料中的含氮杂环化合物吸附能力强、扩散阻力大,是造成分子筛催化剂中毒失活的重要因素。选取吡啶和哌啶两种含氮杂环化合物及与其结构相似的苯和环己烷两种环状烃为模型化合物,采用蒙特卡罗（GCMC）和密度泛函（DFT）方法考察了4种化合物在H-FAU分子筛孔道和酸性位上的吸附行为。结果表明：4种分子主要分布在超笼孔道中,其中两种氮化物的分布更加集中;吸附强度由高到低的顺序为：哌啶＞吡啶＞苯＞环己烷,并且氮化物与分子筛活性位之间是化学吸附,苯和环己烷的吸附是物理吸附。电荷密度分布结果揭示了两种氮化物分子与H质子之间发生不同程度的电荷转移。模拟结果可为分子筛催化剂氮中毒机理的研究提供理论指导。     

噻吩、苯在Ce(Ⅳ)Y分子筛上的吸附行为

采用傅里叶红外光谱（FT-IR）、频率响应（FR）、程序升温脱附(TPD)技术研究了噻吩、苯在Ce(Ⅳ)Y分子筛上的吸附扩散性能。结果表明,噻吩与苯和Ce(IV)Y分子筛的作用机理不同：噻吩在Ce(Ⅳ)Y分子筛上不易脱附,作用力较强,通过S-Ce和π作用两种方式被吸附,以金属S-Ce键作用为主;而苯在Ce(Ⅳ)Y分子筛上容易脱附,作用力较弱,通过π作用被吸附。噻吩在Ce(Ⅳ)Y分子筛上存在两种吸附模式,而苯在Ce(Ⅳ)Y分子筛上频率响应谱图则只检测到扩散过程。苯存在时Ce(Ⅳ)Y对噻吩的选择吸附性能随着模拟油中苯含量的增加而显著降低,但Ce(Ⅳ)Y分子筛还具有深度脱硫的能力。     

正辛烷和1-辛烯在CeY分子筛上吸附的分子模拟研究

采用分子动力学(MD)和巨正则蒙特卡洛(GCMC)方法,模拟正辛烷和1-辛烯在Ce离子改性Y型分子筛上的吸附行为。分析了303 K、423 K温度下正辛烷、1-辛烯分子在CeY中的吸附等温线并对模拟数据进行了Langmuir-Freundlich模型拟合,结合吸附过程的势能分布曲线、分子势能分布密度以及吸附热等数据探究吸附规律。结果表明：正辛烷与1-辛烯在CeY上的吸附,符合Langmuir-Freundlich等温吸附模型,正辛烷与1-辛烯和CeY孔道中的Na+相互作用较强,与Ce(OH)2+间相互作用较弱且随着吸附压力的增大逐渐减小;正辛烷比1-辛烯更容易吸附在CeY上,饱和吸附量更高,最可几相互作用更大,势能随温度变化更大,且正辛烷的吸附热在吸附起始阶段大于1-辛烯,在接近饱和吸附时略小于1-辛烯。这是由于1-辛烯内部存在的C=C键产生了较弱的π-π相互作用,随着温度和吸附量的增加,使得分子间相互作用力较正辛烷更为明显。     

Adsorption and Desorption of Thiophene Vapor on NaY/NiY Zeolites

FT-IR spectrometry,TPD and adsorption isotherms of thiophene on NaY/NiY zeolites were carried out and the diffusion coefficient was obtained by means of its real-time dynamic curves.The loading of thiophene adsorbed on the NaY zeolite decreased with an increasing temperature,which was ascribed to the patterns of physical adsorption.Both physical and chemical adsorption phenomena were detected on the NiY zeolite,with the σ complexation and S-M interaction existing during the chemical adsorption.The loading of thiophene adsorbed on the NiY zeolite at 302 K and 335 K was equal,but it decreased at 373 K.The diffusion coefficient of thiophene on the NaY zeolite decreased when the loading increased to more than 0.02 mmol/g,and on the contrary that of thiophene on the NiY zeolite did not change obviously with the loading adsorbed.     

烷基化反应混合物在Y型分子筛中吸附及反应失活机理的分子模拟

采用密度泛函法、蒙特卡罗方法以及分子动力学方法,系统研究了烷基化反应过程的反应物(异丁烷、丁烯)、产物(异辛烷)、副产物(代表组分C9H20、C12H26烷烃)在典型分子筛催化剂Y型分子筛中的吸附传质特性。研究得到了反应混合物组成及分子筛硅/铝摩尔比对分子筛吸附量的影响规律,探讨了烷基化反应高烷/烯比进料的分子尺度机理;获得了不同组分在分子筛内的扩散性质,并重点研究了分子筛中副产物(C12H26)吸附量对反应物受限扩散性质的影响规律。结果表明,烷基化反应过程中,随着副产物吸附量的增大,Y型分子筛催化剂活性位点可接近性与反应物自扩散系数显著降低是催化剂迅速失活的主要原因。     

催化裂化干气组分在沸石Y上吸附的分子模拟

Adsorption of catalytic cracking dry gas components, hydrogen (H2), nitrogen (N2), methane (CH4), ethane (C2H6) and ethylene (C2H4) in zeolite Y was studied by performing the Grant Canonical Monte Carlo (GCMC) simulations at 298 and 823K and a pressure range up to 10MPa. Simulation results were analyzed using Langmuir model and it presented fitting of dry gas components adsorption suggesting monolayer adsorption. C2H4 presented most single adsorption amount, which reached 7.63mol/kg at 298K under 200kPa. Thermodynamic parameters of Gibbs free energy change, enthalpy change and entropy change were analyzed based on adsorption equilibrium constant obtained from the GCMC simulations. The results suggested that it was more favorable for C2H4 to adsorb in zeolite Y. Adsorption molecules were in ordered arrangement in zeolite, and C2H4 exhibited more orderly arrangement than other components. Additionally, it was found that there was a competition between dry gas components for mixture adsorption, supercages were prior adsorption space. The competition was favorable to CH4 and C2H6, and competitive power was affected by temperature.     

Molecular dynamics investigation on the morphology of HNIW affected by the growth condition

The crystal morphology of Hexanitrohexaazaisowurtzitane (HNIW) in vacuum and ethyl acetate was investigated by attachment energy (AE) model through molecular dynamics (MD). The simulated solvent-affected outcome agrees well with the experimental crystal habit cultivated from ethyl acetate. The influence of model size on the modified AE was discussed, and a reasonable model size was obtained. The model size can be broadened to calculate the morphology of other compounds. The radial distribution function (RDF) analyses and diffusion coefficient analyses were performed to explore the adsorption and diffusion behaviors of ethyl acetate molecules on HNIW surfaces. The simulation results can provide some guidance for the further crystallization process of HNIW.     

磷钨酸/纳米晶TS-1催化剂高效择形催化氧化脱硫

采用浸渍法合成了纳米晶TS-1负载磷钨酸的HPW-Nano-TS-1催化剂,31P MAS-NMR,FT-IR,UV-vis表征结果表明,合成的负载型催化剂上磷钨酸保持Keggin骨架结构。以模型有机硫化物的正辛烷溶液为模拟油的吸附脱硫试验结果表明,噻吩、苯并噻吩和二苯并噻吩在纳米晶TS-1及HPW-Nano-TS-1样品上吸附达到平衡的时间逐渐增加,饱和吸附量相应减少。磷钨酸的引入提高了纳米晶TS-1对于大分子有机硫化物二苯并噻吩的氧化脱除活性。在温度60 ℃的反应条件下,噻吩的脱除率高于98.0%,二苯并噻吩的脱除率为58.0%,3种模型有机硫化物氧化脱除由易到难的顺序为：噻吩>二苯并噻吩>苯并噻吩,与常规的TS-1沸石或者多酸催化剂的活性顺序存在明显的差异,这是纳米晶TS-1沸石对于有机硫分子氧化反应的择形作用、扩散效应和磷钨酸在催化氧化脱硫过程中的电子云密度综合作用的结果。     

烯烃对Ce(IV)Y分子筛选择性吸附脱硫的影响

以含噻吩的模拟油为原料,考察不同烯烃类型及含量对Ce(IV)Y分子筛选择性吸附脱硫性能的影响。静态脱硫试验结果表明,当模拟油中存在微量的烯烃（0.03%）时,对Ce(IV)Y的脱硫效果影响较小,随着烯烃含量的增加,Ce(IV)Y分子筛的深度脱硫能力显著降低。在相同烯烃含量时,不同烯烃类型对Ce(IV)Y分子筛的脱硫效果影响程度由大到小的顺序为： 1,5-己二烯 > 环己烯 > 1-己烯≈1-辛烯。吸附前后Ce(IV)Y分子筛样品的FT-IR分析结果表明,噻吩通过两种吸附模式作用在Ce(IV)Y分子筛上,Ce(IV)Y分子筛能够选择性吸附含微量烯烃（0.03%）的模拟油中的噻吩;而对烯烃含量高（3％）的模拟油脱硫时,分子筛直接和烯烃的双键发生强相互作用,占据吸附剂的活性位,导致Ce(IV)Y分子筛脱硫性能显著降低。