探究吉布斯系综模拟氮气-水和氧气-水的气液相平衡

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1、南京工业大学硕士学位论文吉布斯系综模拟氮气-水和氧气-水的气液相平衡姓名：胡慧媚申请学位级别：硕士专业：化学工程指导教师：陆小华20040501南京_T-业大学硕士学住论文摘要Mog模拟(Mc)是化工热力学中的一种现代研究方法。近年来随着_teCarlo—’—一／实验成本的增加，采用计算机来模拟实际体系越来越受到工业界和学术界相关领域研究人员的关注。本论文先对MC模拟的起源、原理及发展作了简要讨论，对现有的用来预测流体相平衡的MC模拟方法及涉及的不同系综作了较全面的论述并对它们的优缺点、适用范围作了比较。结果表明，Gibbs系综的MC(GEMC)方法为化工过程设计和开发中

2、必不可少的流体相平衡的直接模拟提供了方便的研究手段。本文利用GEMC模拟技术，对Lennard—Jones(LJ)模型流体、用简单LJ位能描述的真实气体N2、02、水及气体与水的混合物的平衡性质进行了研究。主要包括以下几个方面：---÷w-星．对Lennard—Jones流体的汽液平衡性质进行了NVT-GEMC模拟并探讨了模拟所用的初始条件对结果的影响：初始条件对平衡性质结果的影响在统计不确定误差范围以内但对体系达到平衡的时间有一定的影响。只要体系中的粒子数足以描述各相的性质，模拟应该尽量选取较少的粒子数。对真实气体N2、02从接近三相点到临界点附近的汽液相平衡模拟得到了

3、与实验数据非常吻合的结果。而对用mSPC／E模型描述的水的模拟可知，仅当温度升高到550K以上时，模拟结果才显示出与实验数掘较大的偏差。本论文用NPT-GEMC模拟了高度非理想性的含有氢键的混合物：N2．H20和02一H20体系。N2-H20体系的模拟在固定压力、不同温度下进行而02．H20体系的模拟在固定温度、不同压力下进行。模拟中运用了精确描述纯组分汽液平衡性质的位能模型，对于在混合物中具有重要作用的水采用了MSPC／E模型而气体则用最简单的LJ势能模型。气体分子与水分子之间的相互作用使用不带任何可调二元参数的Lorentz-Berthelot组合规则。模拟得到了混合

4、物的结构性质和平衡性质。通过与已有实验数据的比较发现：模拟得到的气体在液相中的溶解度虽然仅在数量级上是可靠的但是却有与实验数据一致的趋势：对于N2一H20体系的气相性质，模拟结果与实验值吻合很好；对于氧气中的水含量，模拟值大于用模型计算的结果是由于02．H20体系模拟的温度为560．93K，已经接近MSPC／E水的临界温度a所以，只有精确预测相同温度和压力下混合物中各纯组分的汽液平衡性摘要质，用GEMC模拟混合物的平衡性质彳’可以得到较好的结果，达到定量的标准。通过分析混合物体系的径向分布函数可知：高压下，温度对于流体结构性质的影响较明显：而在高温下，压力的作用可以忽略。

5、关键词：MonteCarlo分子模拟Gibbs系综相平衡混台物lI壹童兰些垄兰堡主兰堡丝查——一——ABSTRACTMonteCarlosimulationtechniqueisamodernmethodinchemicalthermodynamics．Recently,withtheincreaseofthecostofexperiments，moreandmoreresearchersfocustheirinterestsonthetechnologyofcomputersimulation．Onthebriefreviewoftheorigin，principlea

6、nddevelopmentofMonteCarlotechniques，wediscussedtheadvantagesanddisadvantages，scopesofapplicationofdifferentMCmethodsfordeterminationofphaseequilibriumandtheinvolvedensemble．GibbsensembleMonteCarlomethodbasedonsimultaneouscalculationsintworegionsrepresentingequilibriumphasesisnowcommonlyus

7、edforobtainingphaseequilibriumoffluidsbecauseofitssimplicityandspeed．Thevapor-liquidequilibriumofLennard—Jonesmodelfluid，realgasrepresentedbysimpleLJmodelsuchasoxygenandnitrogenandwaterwereinvestigatedbyNVT-GEMC；whilecoexistencepropertiesofhighlynon—-idealhydrogenbo