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《有机蒸气_氮气混合物透过炭膜的非平衡分子动力学模拟》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、24天然气化工2008年第33卷有机蒸气/氮气混合物透过炭膜的非平衡分子动力学模拟钟璟,邵伟,夏庆,宋晓丽,陈燕(江苏工业学院化学工程系,江苏常州213164)摘要:基于考虑渗透过程中外加力场影响的非平衡分子动力学方法,建立了计算有机蒸气/氮气混合物透过多孔C膜的渗透系数和分离因子的方案;并对甲烷/氮气(CH4/N2)和丙酮/氮气(CH3COCH3/N2)两种混合物透过炭膜的渗透过程进行计算。主要讨论了计算模型的建立和计算方法的选择。计算出的渗透系数和分离因子与文献中的计算结果或实验结果具有可比性,CH4/N2混合物透过0.75nm炭膜的分离机理为偏离Knudsen扩散、伴有表面扩散
2、产生,分离因子为1.836;丙酮/N2混合物透过4.42nm炭膜的分离机理为毛细管冷凝,分离因子为44.46。炭膜可有效地用于回收丙酮。关键词:炭膜;有机蒸气;分子动力学;分离因子;渗透系数;丙酮中图分类号:O604TQ028.8文献标识码:A文章编号:1001-9219(2008)02-24-05[6,7]有机蒸气,也称“挥发性有机物”(volatileor-的传递性质,但对于有压力差推动的气体膜分离ganiccompounds,简称VOCs),是许多工业部门排过程,EMD法不能实现对渗透过程推动力不变这一[1]放气中重要的污染物之一。有机蒸气的排放不仅特征的反映,需借助NEMD法
3、。浪费大量的资源,而且严重污染环境。随着资源的近十多年来,陆续出现了用分子动力学方法研[8-12]日益匮乏与环境问题的日趋严重,有机蒸气的净化究流体透过陶瓷膜的报道,这些研究能较好地理与回收日益受到人们的重视。解流体与膜之间的相互作用。但对流体透过膜的传[13]作为一种新型高效的分离技术,膜分离法与吸递和渗透机理还不很清楚;研究主要集中在小分附法和冷凝法等传统方法相比,具有高效、节能、不子(N2、O2、CO2、He、CH4等)透过陶瓷膜的渗透情况,[2]产生二次污染并能回收有机溶剂等优点。20世纪对有机蒸气及混合物的研究很少,采用的方法多为[5]80年代后期,国外开始采用高分子聚合膜
4、进行空气EMD或类似EMD的方法。本文提出了一种在[2]中VOCs的回收,但由于高分子材料存在耐溶剂MaterialStudio软件上实现NEMD计算的方法,并性能差,渗透通量低等问题,开发适用于VOCs回收采用此方法研究了典型的有机蒸气(CH4/N2和丙的陶瓷膜成为气体膜分离领域中的研究热点。酮/N2混合物)透过炭膜的渗透行为,计算了渗透系现阶段,陶瓷膜的设计主要靠直觉判断和反复数和分离因子。研究结果对分析有机蒸气透过陶瓷的实验,成本非常高,对膜分离机理的研究相对粗膜的渗透行为有一定指导作用,也开拓了软件的应[3]略。随着理论化学、基础物理和计算技术的飞速发用领域。展,分子模拟作为
5、一种与理论和实验并列的研究手1计算机模拟[4]段逐渐得到了广泛应用。20世纪90年代,分子模拟技术,尤其分子动力学开始应用于气体膜分离领1.1模型建立域,为预测分离因子和渗透系数、研究传递机理、设目前,气体膜分离领域中应用的分子动力学模计适用于特定体系的气体分离膜提供了一种崭新型都采用三维的周期性边界条件,只是在渗透方向的研究方法[5]。分子动力学(MD)模拟分为平衡分子截断周期性结构的方法不同[10,12,14,15]。参照文献[14],炭动力学模拟(EMD)和非平衡分子动力学模拟膜可认为是多层石墨基本面堆积而成的,只是石墨(NEMD)。EMD法能够较准确地研究组分通过微孔层基本面
6、间的距离与石墨本身的晶体结构有一定差别。具体的模型建立如下:将石墨素晶胞在(-100)收稿日期:2007-10-20;基金来源:国家自然科学基金方向切割,建成u=0.670nm、v=0.245nm、长度为Lm(20406007)和2006年江苏省精细石油化工重点实验室基金的石墨素晶胞(Lm可根据膜的厚度调整)。再利用资助项目;作者简介:钟璟(1972-),女,博士,电话0519-3295832。邮箱:zjwyz@jpu.edu.cn。超晶胞的方法增加石墨层的厚度和宽度。最后用建第2期钟璟等:有机蒸气/氮气混合物透过炭膜的非平衡分子动力学模拟25晶体的方法得到一个具有周期性边界条件的石
7、墨数形式由两部分组成:键合项和非键合项,键合项模型。石墨结构建好后,可以直接删除石墨模型中包括对角和非对角的交叉偶合项(式1),分别为键伸某些层来改变孔径,也可以直接平移某些层来增大缩能Eb、键角弯曲能Eθ、键扭转能Eφ、键角面外弯孔径。为了截断渗透方向的周期性结构,将气相区曲能Eχ以及它们之间的相互偶合能Ecross。非键合项和渗透侧分开,需要在体系的一端建立一个He单包括范德华能Evdw(式2)和库仑能Ecoulmb(式3),其中分子层。建好的盒子尺寸
