MCM-22和β分子筛中苯和丙烯表面扩散的KMC模拟

摘要

MCM-22是一种新型的高硅分子筛，它同时具有十元环和十二元环两种完全独立，互不相通的孔道结构。β分子筛是唯一具有三维十二元环孔道结构的大孔高硅沸石。由于这两种大孔分子筛具有独特的孔道结构、高的热稳定性、大的表面积以及良好的催化性能，而使其在石油催化方面具有极大的应用前景。近年来关于苯和丙烯在MCM-22和β分子筛中扩散的实验和分子模拟研究已有报道，但是有关苯和丙烯扩散的浓度依赖关系数据却非常稀少，开展这方面的研究对于这两类分子筛的合成及工程应用具有学术和实用意义。 本文以苯和丙烯的烷基化反应为应用背景，用校正的KineticMonteCarlo(KMC)方法计算了苯和丙烯单组分及双组分混合物在MCM-22和β分子筛中扩散系数的浓度依赖关系，并将计算结果与描述多孔介质中表面扩散的Maxwell-Stefan(M-S)理论进行比较和相互印证，初步揭示了扩散分子在两种分子筛中的运动特征。研究得到以下主要结论： (1)对苯和丙烯在MCM-22分子筛中的扩散研究表明： 对二维正弦通道内苯和丙烯的单组分扩散以及超笼中丙烯的扩散，KMC模拟结果和M-S理论预测结果一致；但苯在超笼中的扩散则需要考虑其分子间作用力并利用拟化学近似理论中的R-E模型计及分子对对作用参数f，使模拟与理论预测结果达到一致；而且给出苯分子在超笼中扩散的分子间对对作用参数f的具体值，并由f的取值推断在超笼中扩散苯分子之间存在引力作用。KMC模拟结果还揭示了苯和丙烯在超笼中的自扩散系数的存在尺度效应或阶梯跃变现象，其物理机制是分子更倾向于在超笼内扩散，超笼结构对其中扩散的分子有滞留作用。 对于双组分扩散来说，M-S理论可以较好的描述两种通道内分子的自扩散系数，可以利用单组分的扩散数据来预测双组分的自扩散系数；但对于M-S扩散系数，由于缺乏对分子间力的考虑，模拟结果和理论之间相差较大。但是在总的趋势上，二维平面通道和超笼中的扩散系数均随着覆盖率的增大而减小。 (2)对苯和丙烯在β分子筛中的扩散研究表明： 对于丙烯的单组分扩散，M-S理论可以很好的描述丙烯在β分子筛中的扩散；对于苯在其中的扩散，则需要通过R-E理论进行将KMC方法和M-S理论进行修正，可以得到较理想的M-S扩散系数的浓度依赖关系，并由f的取值推断出在β分子筛这种十二元环的大孔道沸石中被吸附的苯分子之间是引力作用。 对于混合物的扩散，M-S理论可以很好的预测苯和丙烯的自扩散系数浓度依赖关系，对于M-S扩散系数还有一定的偏差，但是KMC的模拟结果在趋势上与M-S理论是一致的，扩散系数均随着覆盖率的增大而减小。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号说明

第一章文献综述

第二章KMC模拟方法及Maxwell-Stefan理论

第三章MCM-22分子筛中苯和丙烯扩散行为的KMC模拟

第四章β分子筛中苯和丙烯扩散行为的KMC模拟

第五章结论

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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