分子筛中吸附和表面扩散的多尺度模型化研究

摘要

分子筛属微孔晶体（态）材料，因其独特的性能而应用广泛；特别是silicalite、ZSM-5、Y型、β分子筛及丝光沸石等，在炼油、石化等领域构成一大类分子筛基分离和反应过程。吸附和扩散分别描述这类过程中主-客体系的热力学及动力学性质，只有认识了主-客体系的热力学和动力学，才能把握过程本质，从而为分子筛的应用提供定性和定量依据。为此，本文以分子筛基分离和反应过程为应用背景，采用多尺度模型化方法和策略，较为系统地开展了客体分子在分子筛中的吸附和扩散特性研究。 第一，在最底层尺度上，搭建并优化了本研究所涉及主-客体系的结构与模型。主体依次包括：silicalite分子筛、ZSM-5分子筛，β分子筛，丝光沸石以及NaY分子筛。将所搭建模型的X射线衍射（XRD）图谱与国际沸石协会（IZA）给出的XRD图谱对比表明，所搭建的模型均具有晶相的特征峰。客体分子包括氙、四氟甲烷、烷烃、烯烃和苯分子，本文获得了相应的联合原子模型和全原子模型及参数。 第二，主要以分子模拟方法考察了选定主-客体系的吸附特性。包括： 2.1以构型偏移蒙特卡罗（CBMC）方法考察了300K时C1-C7直链烷烃在纯硅的silicalite、β分子筛及丝光沸石中的吸附行为，结果表明：C1-C7直链烷烃在三类典型分子筛结构中的吸附均存在熵效应，包括尺寸熵效应和构型熵效应，这影响到吸附等温线可能出现拐点。有别于常规的吸附位点分类，本文界定一种两步吸附过程，可以定性说明分子在分子筛中吸附时，在两步吸附间转化时是否会出现拐点。 2.2以巨正则系综蒙特卡罗（GCMC）方法计算了303K时C2-C4烯烃在五种不同组成的MFI分子筛中的吸附，包括：①silicalite分子筛；②Si/Al=191，引入H+的HZSM-5（1）分子筛；③Si/Al=191，含1.1893wt.%La的La/ZSM-5（1）分子筛；④Si/Al=47，引入H+的HZSM-5（2）分子筛；及⑤Si/Al=47，含1.1864wt.%La的La/ZSM-5（2）分子筛。结果表明： ·对于单组分吸附：在低硅铝比时，氢和镧的引入使烯烃在MFI分子筛中的吸附热、吸附量增大，这种增大现象在亨利段比在接近饱和段明显，且烯烃分子链长增长时，吸附量增加的幅度也增大，但在高硅铝比时其引入影响很小。在低硅铝比时，镧以La（OH）2+阳离子的形式引入分子筛内，使在亨利段及饱和段之间的压力段内烯烃在分子筛中的吸附量比相同硅铝比的HZSM-5分子筛小，但二者吸附热差别不大。 ·对于乙烯.丙烯双组分吸附，氢和镧的引入对丙烯组分的影响与单组分的情形类似，但在H/La/ZSM-5分子筛内乙烯组分的饱和吸附量略小于在silicalite内吸附量的情形，并且，由于尺寸熵效应，在接近饱和时，随压力的增加，丙烯的吸附量不再改变，乙烯的吸附量却持续增加。 第三，主要采用分子模拟方法，结合理论研究，考察了选定主-客体系的扩散特性。包括： 3.1采用动力学蒙特卡罗（KMC）方法计算了300K时，甲烷、氙、四氟甲烷、正丁烷、异丁烷及二甲基己烷在silicalite中的扩散系数的浓度依赖关系。结果表明： ·单组分在分子筛中吸附时，若为尺寸熵效应控制或吸附止于第一步，则扩散系数随浓度的增加而减小；若构型熵效应占主导且组分可克服构型熵效应而继续第二步吸附，则扩散系数的浓度依赖关系曲线会产生极值点。 3.2建立了扩散系数随覆盖率变化的预测模型并对KMC模拟计算结果进行校正，结果表明： ·扩散分子间以及扩散分子与分子筛基体间力作用强弱不同，故分子在分子筛中运动时受到的限制不同。本文中定义了参数B表示这种受限作用（B∈[0，1]），并得到MS扩散系数随覆盖率变化的关系式；与文献报道MFI分子筛中的MS扩散系数的分子动力学（MD）模拟数据对比，证明了上述方程的适用性。 ·基于强弱受限的考虑，引入校正因子d1校正KMC方法计算所得MS扩散系数。进一步考虑，KMC模拟在预测自扩散系数时未出现偏差，是因为未标记分子对标记分子的排斥作用与同其争夺空位的作用相比可以忽略，并得到自扩散系数浓度依赖关系的预测方程。 3.3基于计算扩散系数温度依赖关系的Gas Translation（GT）模型，建立了更为合理的预测扩散系数温度依赖关系的模型。结果表明：原GT模型计算的偏差是因为活化能的计算不准确所引致，建立了计算扩散活化能的两种新模型，包括一种简单模型和基团贡献法模型。由其计算烷烃、环烷烃、以及芳香烃在MFI分子筛中的扩散活化能，并由GT模型计算扩散系数，与实验数据对比，得到比原模型更好的预测结果。 第四，采用包括GCMC、KMC、MD模拟及有限体积法在内的多种算法，全面实施了一种自下而上的多尺度模型化策略，详细考察和预测了NaY分子筛-苯分子体系在不同尺度上的相关性能。包括： 4.1用GCMC方法考察了300K、700K时的该主客体系的吸附行为，结果表明： ·苯分子在NaY分子筛中有两个主要吸附位：第一类（SⅡ位）位于超笼中SⅡ位Na+前，每个超笼中有四个；第二类（W位）位于十二元环窗口中，每个窗口有一个。SⅡ位比W位吸附能力强，苯分子的吸附符合两步吸附过程，即先吸附到SⅡ位上，在SⅡ位吸附满后才吸附到W位上。 ·温度、Si/Al及覆盖量对吸附热都有影响，固定其它两个因素时：温度升高吸附热略减小；Si/Al增加吸附热减小；覆盖量增加吸附热增大。 4.2用KMC方法计算了不同跳跃机制下扩散系数的温度、浓度依赖关系；用MD方法计算了700K时扩散系数的浓度依赖关系。结果表明： ·跳跃机制对苯在NaY分子筛中自扩散系数的温度、浓度依赖关系有很大的影响，与文献实验数据对比，证明苯在NaY分子筛中的长程运动主要经SⅡ-W-SⅡ笼间跳跃而发生，基本不发生W-W之间的跳跃。 ·苯在NaY分子筛中的扩散活化能随覆盖量的变化在32-41kJ/mol的范围内变化，呈现随覆盖量的增加而减小的趋势。 ·通过对体系微观结构和扩散特性的理论分析，得到能准确预测苯在NaY分子筛中的MS扩散系数及自扩散系数的浓度依赖关系的关系式。 4.3）用连续统模型化方法，基于MS方程描述膜组件中的晶内扩散、主体扩散和努森扩散，预测苯在NaY分子筛膜组件中的通量。结果表明： ·不同扩散系数模型预测的膜通量相差4个数量级，以实验值为依据，进一步证实苯在NaY分子筛中的扩散机制主要是经SⅡ-W-SⅡ笼间跳跃而发生的长程运动；同时证明采用分子模拟方法计算传递参数（扩散系数等）与宏观模型结合预测分离组件的传递性能是有效便捷的设计途径。 ·支撑层阻力使苯的渗透通量减小1个数量级，其影响渗透通量的原因之一是吹扫气体的反向扩散；阻力的大小与支撑层结构及吹扫气体性质等因素有关。

目录

文摘

英文文摘

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概述

第一章文献综述

1.1分子筛

1.1.1结构和分类

1.1.2功能与应用

1.2分子筛中的吸附

1.2.1实验研究

1.2.2理论研究

1.2.3分子模拟研究

1.3分子筛中的扩散

1.3.1实验研究

1.3.2理论研究

1.3.3分子模拟研究

1.4分子筛基过程研究的多尺度模型化方法

1.4.1量子力学方法

1.4.2分子力学方法

1.4.3介观模拟

1.5本文研究背景及内容

参考文献

第二章 主-客体系确定及分子模拟方法

2.1主、客体结构与模型

2.1.1丝光沸石

2.1.2 MFI分子筛(包括silicalite和ZSM-5)

2.1.3 β分子筛

2.1.4 NaY分子筛

2.1.5客体分子的模型

2.2分子内键合势能与分子间相互作用势能函数

2.3分子筛中吸附的分子模拟方法

2.4分子筛中扩散的分子模拟方法

2.4.1分子动力学(MD)方法

2.4.2动力学蒙特卡罗(KMC)方法

2.5本章小结

参考文献

第三章 烷烃及烯烃在分子筛中吸附的分子模拟研究

3.1力场及程序正确性验证

3.2三种分子筛中C1-C7直链烷烃的吸附特性

3.2.1在silicalite分子筛中的吸附

3.2.2在β分子筛中的吸附

3.2.3在丝光沸石中的吸附

3.2.4三种分子筛中吸附的比较

3.3 C2-C4烯烃在不同Si／Al比和镧改性MFI分子筛中的吸附

3.3.1单组分吸附

3.3.2双组分吸附

3.4本章小结

参考文献

第四章 分子筛晶内扩散系数研究(Ⅰ)：浓度依赖关系

4.1 silicalite分子筛晶内扩散系数浓度依赖关系的分子模拟

4.1.1 KMC模拟的模型及模拟所需参数

4.1.2 KMC模拟细节

4.1.3晶格模型合理性检验

4.1.4单组分扩散

4.1.5双组分扩散

4.2分子筛晶内扩散系数浓度依赖关系的理论预测

4.3本章小结

参考文献

第五章 分子筛晶内扩散系数研究(Ⅱ)：温度依赖关系

5.1预测的基础——Gas Translation(GT)模型

5.2简单模型

5.3基团贡献法模型

5.4本章小结

参考文献

第六章 NaY分子筛膜组件中苯渗透特性的多尺度模型化预测

6.1苯在NaY分子筛中的吸附

6.2苯在NaY分子筛中的扩散

6.2.1扩散系数的温度依赖关系的分子模拟

6.2.2 300K时，扩散系数浓度依赖关系的分子模拟

6.2.3 700K时，扩散系数浓度依赖关系的分子模拟

6.2.4扩散系数浓度依赖关系的理论预测

6.3 NaY分子筛膜组件中单组分渗透特性的预测

6.3.1膜组件的物理模型

6.3.2膜组件的数学模型

6.3.3模型方程求解

6.3.4结果和讨论

6.4本章小结

参考文献

第七章结论

7.1本文主要结论

7.2本文创新点

7.3对下一步工作的建议

致谢

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