吉布斯系综模拟流体汽液相平衡

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吉布斯系综蒙特卡洛技术是一种直接模拟流体汽液相平衡的计算机模拟方法,通常在两个具有不同密度和组成的物理区域同时完成一个模拟过程。在模拟过程中,包括三种类型的波动:分子的随机移动和转动;两个区域的体积变化;两个区域间的分子交换。此方法不考虑相边界,不需要直接计算化学势,模拟计算比间接法简便。尽管GEMC不能得到很高精度的结果,也不能用于很多重要的体系,但它是模拟流体混合物相行为经常使用的方法。这不仅仅是由于它的简便、直观的方法和相对较少的计算量,更由于它不需要研究者预先知道研究体系(也许是新的体系)的相图的近似位置或其它相平衡方面的性质。按照循序渐进的原则,运用结构化程序语言FORTRAN90先后开发了三套模拟程序,分别模拟了L-J纯流体,L-J流体二元混合物和CO2/CH3CH2CH3二元混合物的汽液相平衡性质。分子间的势能相互作用采用L-J势能模型和各向同性的点-点相互作用。论文对L-J纯流体的模拟采用了恒容的吉布斯系综蒙特卡洛法,由模拟结果描绘了L-J纯流体的完整的相图,比文献数据更加完整。L-J流体二元混合物的模拟采用了恒压的吉布斯系综蒙特卡洛法,选择的两个L-J流体的直径参数和能量参数比较接近,用于检验该模拟方法的汽液相平衡的分离能力。由于两相模拟分离效果良好,只模拟了T *=0.928的汽液相平衡数据,描绘了完整的相图,与文献值基本吻合。论文对分子流体混合物CO2/CH3CH2CH3的模拟仍然采用恒压的吉布斯系综蒙特卡洛法,模拟了T=244.26K和T=266.48K两个温度下的汽液相平衡数据,模拟的结果和实验数据基本吻合。分子间势能作用采用各向同性的L-J点-点作用势能模型。二氧化碳采用了比较简化的2CLJ模型,丙烷采用了甲基和亚甲基基团简化模型,研究结果表明这两种简化模型能够达到吉布斯系综模拟要求的精度。尽管吉布斯系综蒙特卡洛技术的原理和方法比较简明,但是要模拟流体或流体混合物的完整相图并非易事。论文讨论了临界点附近的相平衡模拟方法,这是模拟的难点之一。同时,对模拟过程的细节进行了比较详细的讨论。要得到L-J流体的完整相图,需要对三类移动步在Monte Carlo循环中所占的比率和体积变化步的接受率进行必要的调整。
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