模型聚芳烃沥青质分子聚集行为的分子动力学模拟

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1、学校代码10530学号201510141376分类号O641密级公开硕士学位论文模型聚芳烃沥青质分子聚集行为的分子动力学模拟学位申请人贺兰雁指导教师裴勇教授学院名称化学学院学科专业化学研究方向物理化学二〇一八年六月MolecularDynamicsSimulationofSelf-AggregationBehaviorofModelAsphalteneMoleculeswithPolycyclicAromaticCoresCandidateHelanyanSupervisorProfessorPeiYongCollegeDepartmentofC

2、hemistryProgramChemistrySpecializationPhysicalChemistryDegreeMasterofScienceUniversityXiangtanUniversityDateJune,2018湘潭大学硕士学位论文摘要在过去几十年中，沥青质沉积一直影响着原油的开采和运输，给石油工业带来了巨大的损失。研究沥青质分子的自聚集对优化石油开采、运输和精炼具有重要意义。随着计算机技术的飞速发展，分子模拟作为实验的有益补充被越来越多的研究者们采用。根据实验测定的分子结构，大部分的沥青质分子通常包含有多个聚芳香环，为了理

3、解沥青质分子的聚集行为以及溶剂分子对沥青质聚集体的影响，本论文以多种模型聚芳烃分子为研究对象，利用大规模原子和分子并行软件(LAMMPS)进行了一系列分子动力学模拟计算。论文的研究内容主要包括三大部分：一是模型沥青质分子的自聚集行为；二是模型沥青质聚集体与甲苯溶剂混合；三是随机分布的沥青质分子与甲苯溶剂混合。主要的研究内容有三个部分：1.通过分子动力学模拟研究九种模型沥青质分子在533K下的聚集行为，探讨了共轭芳香环数目、烷基侧链长度和烷基侧链数量对分子聚集行为的影响。发现芳香核之间的π-π相互作用是导致聚芳烃沥青质分子聚集的主要驱动力。沥青质分

4、子的聚集体结构取决于沥青质分子的结构。随着芳香核心的增大，π-π堆叠构型的稳定性越高，并且当共轭芳香环数目达到一定值时，沥青质分子形成稳定的、高度有序的“晶状”堆叠结构。此外，发现烷基侧链显著影响聚芳烃沥青质分子的聚集行为。带两条烷基侧链的模型沥青质分子显示出一种“层状相分离”(PSLS)结构，其中多环芳核形成稳定的单层堆叠结构，与烷基侧链分开。而带五条烷基侧链的模型沥青质分子形成“柱状相分离”(PSCS)结构，在每个柱状聚集体中，可以清楚地观察到长程有序的面对面π-π堆叠结构。2通过分子动力学模拟研究低质量分数的甲苯溶剂在不同温度下对沥青质聚集

5、体的影响。发现低质量分数的甲苯分子并未进入到多环芳核之间，不能破坏它们之间的π-π相互作用，但它们在聚集体边界迅速移动，增加了聚集体之间的距离。此外与甲苯溶剂相比，温度对沥青质聚集体结构的影响较小。3.通过分子动力学模拟研究五种随机分布的带烷基侧链的沥青质分子与甲苯的相互作用。分析模拟得到的运动轨迹发现少量甲苯溶剂(30wt%)不影响体系形成PSLS和PSCS结构。当添加过量的甲苯溶剂时，沥青质分子形成高度分散的纳米聚集体。此外，还探讨了PSLS、PSCS以及纳米聚集体中π-π堆叠结构的动力学性质，发现烷基侧链的数量和大小显著影响聚集体中π-π堆

6、叠结构的大小和数量。本论文通过追踪纳米聚集体的结构演变，提出了纳米聚集体可能的解离机理。关键词：分子动力学模拟；沥青质；聚集；溶剂I聚芳烃共轭分子聚集行为的分子动力学模拟AbstractInthepastdecades,asphaltenedepositionhasbeenaffectingtheextractionandtransportationofcrudeoilandhasbroughtcostincreasesinthepetroleumindustry.Studyingself-aggregationofasphaltenemolec

7、ulesisofgreatsignificanceforoptimizingoilextraction,transportationandrefining.Molecularmodelingasausefulcomplementtoexperimentshasbeenadoptedbymoreandmoreresearchers.Inthiswork,polyaromaticasphaltenesystemisusedtomimictheasphaltenemolecules,andthreeresearchcontentsareincludes

8、byemploythymoleculardynamicssimulation:thefirstistheaggregationbehav