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Gibbs系综Monte Carlo方法研究流体相平衡

王秀丽  
【摘要】:流体及其混和物的相平衡一直是化学工程中非常重要的问题。然而最初用分子模拟方法计算相平衡并非易事,这主要是因为难以得到计算相平衡所需要的自由能或化学势。直到20世纪80年代,算法的发展才使得分子模拟相平衡变得较为容易。分子模拟方法基于描述系统中分子间相互作用的力场 。现在已有很多力场可以得到,但是这些力场是否能再现纯流体或混和物的相共存性质大多数都没有被检验,这严重限制了它们的可靠性和预测能力。本论文用NPT-Gibbs 系综Monte Carlo法研究了几个有工业应用背景的物系的相共存性质,检验了所选力场计算气液平衡的可靠性。 由于难以得到可移植的高质量程序代码,因此用一种面向对象的语言——Visual C++编制了NPT-Gibbs系综MC模拟算法的代码。本程序包括了用来增加粒子插入成功率的粒子类别交换算法。该程序可以计算与相平衡直接相关的变量的系综平均,另外,还定期输出某些变量以监控模拟。 使用已有的Lennard-Jones(L-J)力场模型,用Gibbs系综方法计算了二元体系H2+N2,H2+Ar 和N2+Ar以及三元体系H2+N2+Ar的相共存性质,得到的二元相图与实验结果有一定的偏差,三元相图定性地一致。这说明使用简单的势能模型,难以准确计算这些物系的相行为。 使用Gibbs系综方法计算了O2+N2+Ar体系在2个绝对大气压和10个绝对大气压下的三元气液平衡,其中O2和N2采用两中心L-J模型,Ar采用一中心L-J模型,得到的气液平衡组成与实验结果十分接近,这说明这些模型能够准确再现该体系在低压和高压下的相平衡。 分别采用CO2的EPM2模型,C2H5OH的OPLS模型以及H2O的TIP4P模型,研究了临界温度下CO2+C2H5OH体系和超临界CO2+C2H5OH+H2O体系的相共存曲线。结果发现,CO2+C2H5OH的预测结果与实验值十分吻合,超临界CO2+C2H5OH+H2O的平衡组成与实验值在定性上是一致的。 对C3H8和C2H5OH选择OPLS联合原子模型,对H2O选择TIP4P模型,用Gibbs系综MC方法计算超临界C3H8+C2H5OH+H2O的三元体系相平衡组成,模拟结果与实验值一致。同时,分析了不同条件下超临界丙烷的萃取效果,结果表明:在超临界条件下,随着温度、压力和液相乙醇浓度增加,乙醇的溶解度增大。乙醇的分配系数也有类似的变化趋势。乙醇的选择性和萃取浓度随体系压力和液相乙醇浓度的增加而增加,随温度的增加而降低。


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