非平衡分子动力学在炭膜气体分离中的研究

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1、大连理工大学硕士学位论文非平衡分子动力学在炭膜气体分离中的研究姓名：周彦明申请学位级别：硕士专业：化学工程指导教师：潘艳秋20060601大连理工人学硕士学位论文摘要炭膜具有较好的气体分离选择性，在气体的提纯、分离方面具有广泛的应用前景。近年来，随着各种膜制备技术的日益完善，炭膜得到了快速的发展和应用。但炭膜的研究大多处于实验室阶段，离工业应用还有一定距离，除了受膜材料及制备因素的制约外，气体分离机理的理论研究不完善也是一个重要的原因。尽管已建立了许多膜模型，膜的传递、分离机理得到了研究，但由于炭膜的特殊性，膜孔结构不同于有

2、机膜及其它无极膜，目前大多数研究都不完善。因此，研究气体在炭膜上的渗透和扩散机理，对膜的制备及应用均有重要的理论指导价值。本文采用双控容积巨『F则分子动力学(DcV—GCMD)方法，建立单孔狭缝模型，首先通过体系初始化，保证体系的总能量及温度的恒定，消除温度、能量对气体分子运动的影响，经模拟表明在3000时问步后体系的能量及温度趋于稳定。随后模拟了c0，、明。、Jv，和日，单组分气体通过炭膜的传递性质，考察了不同膜孔模型区域及气体分子传递方向上分子密度的变化及其分御，同时也研究了膜的孔径、体系温度、压力的变化对炭膜气体通量的

3、影响，结果发现膜阻力主要集中在膜入口处，对单组分气体孔径主要影响膜对气体吸附性，温度对气体的扩散性及吸附性均有影响，压力增大，气体分子的密度增大，运动速度也加快。最后以CD，和C巩二元混合气体组分为代表，对L—J势函数参数进行了优化选择，解决了前人忽略低压侧气体压力影响的问题，随后研究了气体各组分通量随膜孔径，体系温度、跨膜压差及气体组成的变化，结果表明，不同孔径下混合气体的组分的膜分离机理不同，相对于难吸附组分，温度对易吸附气体的吸附性更明显。本课题是在前人的基础上，用非平衡分子动力学对炭膜气体的传递、分离性能进行了研究，

4、弥补了以前模拟方法的不足。经验正，该模拟方法能够很好的反映膜的传递、分离特性，这对炭膜的进一步研究有重要的指导作用。关键词：炭膜；气体分离；分子模拟；非平衡分子动力学非平衡分子动力学在炭膜气体分离中的研究Non-equilibriumM01ecularDynamicsSimulationofgasSeparationThrou曲CarbonMembranesAbstractCarbonmembra工leisonetypeofmembranes，whichhasgoodsep啪tionabⅢtyaIldselectivityi

5、ngaspuri丘cationaIldseparation，hasabroad印pIicationprospects．Altlloughmanyresearcheshavebeenc栅edoutinla_boratory，there’sstiila10ngdis协nceforindus们a1印plication．BesidesthefactorsofmembranematerialaIldpreparation，imperfectionofgasseparationmechanismstheoreticalresearchi

6、s“soanimponantreason，Thcref研e，toinvestigatetheseaspectsisofsignificaI】tvalue．The“aIcontrol—v01哪eGr趴d-CallonicalM01ecularD”跏ics(DCV．GCMD)simulationmethodisusedtosimulatepuregasofC02、CH4、N2a11dH2traIlspOrtprocess，a11dabinarygasmixtureof002andCH4areinVestigatedt11rou曲

7、acarbonmembrane、Inordertoeliminatetheef诧ctoftemperatmeandenergyDngask血etics，itisnecessarytoinitializethesystemfirstThcresultsshowedthatamr3000steps，systemenergyandtemperature把ndtostabilize，ThenexperimentsarecardedoutforpⅨegasunderdi{＆『entconditions，suchasmembrallep

8、oresize，systemtemperatllrea11dpressuredrop．Membrallercsistanceisconcemratedinmembraneentmnce，andporesizetendstodecreaSeadsoIptionofgascomponents；