基于gcmc法模拟吸附剂吸附特性的研究

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1、华南理工大学硕士学位论文GCMC法模拟吸附剂吸附特性的研究姓名：王宁申请学位级别：硕士专业：化学工程指导教师：袁文辉20030501摘要本论文综述了国内外有关分子模拟方法的分类、特点及其发展状况，重点介绍了国内外巨正则系综蒙特卡罗法(GCMC)在吸附分离领域的研究进展。通过把统计学中有关蒙特卡罗方法的基本原理和统计力学的系综概念，配分函数以及统计吸附理论有机结合起来，推导并阐述了巨正则系综蒙特卡罗模拟方法的数学模型及算法实现。通过引入了Markov链，解概率转移矩阵，来解决有效随机抽样的问题。以能够充分表达吸附现象的独立定域子体系为研究对象，以独立定域子体系的巨正则系综配分函

2、数为切入点，导出了GCMC模拟方法基本数学表达式。对GCMC模拟的数学模型进行算法分析，论述了简单粒子和复杂流体粒子的GCMC算法实现，以及粒子尝试移动的接受准则。同时，结合节省CPU时间的算法，能大大缩短计算机的运算过程。为了增加算法程序良好的可维护性，可移植性及数据安全性，采用面向对象方法，进行程序设计，并运用面向对象语言c++的类概念，构建了GCMC模拟的程序模型。用巨正则系综蒙特卡罗法对活性炭，分子筛和分子筛膜等常用吸附剂，进行了分子模拟研究。用12—6Leo．nard-Jones势能函数，对体系的势能进行计算。狭缝孔模型，是活性炭的理想模式，用简单粒子的移动算法对氮

3、气，甲烷及氩气吸附等温线进行了模拟。结果表明，GCMC法是可行的，获得的数据比较准确。采用构型偏倚MC法，模拟了分子筛对甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、己烷的吸附等温线。由实验结果可知GCMC法是模拟研究硅分子筛的吸附特性良好手段之一。分子筛膜，作为一种特殊的吸附剂，对多组分分离和碳氢化合物的同分异构体分离有良好的选择性。实验制备了MFI型分子筛膜，并用XRD和SEM进行了表征。用GCMC法模拟了氮气，氧气，氖气，氩气，氦气在MFl型分子筛膜中的吸附等温线。结果表明，GCMC法的模拟结果与实验结果相一致。模拟吸附等温线类似于反正切曲线。计算相对密度与吸附压力对数的反正切值的相关与回归

4、结果，证实二者存在高度正相关。各回归方程系数13，是一个表征吸附剂特性的特征常数，可以代表吸附剂的吸附能力。关键词蒙特卡罗：巨正则系综：模拟；活性炭；分子筛；分子筛膜华南理工大学工学硕士学位论文StudyonAdsorptionCharacterisationbyGrandCanonicalMonteCarloSimulationMethodAbstractThispaperhavereviewedtheclassfication，characteristicsanddevelopmentconcerningmolecularsimulationtechnology，espe

5、siallydomesticandinternationalresearchaccomplishmentofgrandcanonicalensembleMonteCarlo(GCMC)simulationmethodinadsorptionfield．ThebasicprincipleconcerningthemethodofMonteCarloinstatisticsandensembleconceptionofthestatisticalmechanicshavebeencombinedwithpartitionfunctionaswellasstatisticalthe

6、oryofadsorptiontheorytoderivethemathematicalmodelofMonteCarloandalgorithm．MarkovchainWasusedtosolveeffectiverandomsamplingbycaculatingprobabilityshiftmatrix．GCMCequationwasobtainedbyintroducingindependentregionsystemandadsorptionphenomenonasobjectiveandkeypointrespectively．Algorithmanalysis

7、forGCMCmodelWascharacterizedforsimpleparticleandcomplexfluidparticleandformovingacceptancerule．Accordingtodifferentadsorbent，algorithmofCPUtimewasutilizedtoshortentheoperationaltime．GrandcanonicalensembleMonteCarlomethodwasappliedtosimulatetheadsorptioni