高分子膜材料脱除天然气中酸性组分过程的模拟计算

【摘要】：天然气作为一种重要能源,其需求量正在迅猛增长,因此提供清洁、高效的天然气显得尤为重要。膜分离法是净化天然气,脱除酸性气体的新型高效方法,因此研究性能优秀的膜材料尤为重要。传统的研究方法耗时且不经济,与其相比分子模拟可以为设计、研究微观结构与宏观性能的关系提供强有力的支持。因此可将分子模拟用于新材料的设计与筛选。本文应用Materials Studio软件对CH4和CO2两种气体小分子在聚合物中的溶解扩散行为进行了模拟:首先通过调研确定了10种典型的聚酰亚胺材料,分别建立模拟单胞并优化,确定了模型的一些基本参数与基本性质,包括:自由体积分数,二面角分布情况,玻璃化温度变化趋势,广角X射线衍射图等。溶解性能模拟采用了双吸附模型。考察模拟得到的各种材料的溶解吸附值与上述已微观性能间的相关程度发现:(1)6FDA型和BTDA型的聚酰亚胺比PMDA型聚酰亚胺的溶解吸附性能要好,但溶解选择性能却不如PMDA型高。(2)溶解度系数并不是简单的随着甲基数目的加而增加的,间位二胺有较大的溶解度系数。(3)聚合物分子中含有较大的取代基团或者单体分子呈现出较为复杂的空间立体结构时,聚酰亚胺通常具有较高的溶解度系数。采用3000ps NVT动力学模拟气体在聚合物中的扩散过程。考察模拟得到的各种材料的扩散值与上述已微观性能间的相关程度发现:(1)对于主链相同的聚酰亚胺,随着取代甲基数目的增加,整体的扩散性能不断增加(2)扩散选择性与聚酰亚胺单体分子的复杂程度并不成正比,扩散性能好的膜材料其扩散选择性能较差。(3)分子结构从间位二胺变换为对位二胺,会导致扩散系数较大的增加。最后考察了渗透系数与膜材料的自由体积的关系发现:增加膜材料的自由体积可增强气体分子的渗透性能。 【关键词】：天然气 聚酰亚胺 膜分离 分子模拟 溶解扩散
【学位授予单位】：中国石油大学(华东)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TE644;TQ028.8
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第一章 引言10-20
• 1.1 研究背景及意义10-11
• 1.1.1 研究背景10
• 1.1.2 研究意义10-11
• 1.2 气体分离膜的原理与研究现状11-14
• 1.2.1 气体分离膜的原理11-12
• 1.2.2 气体分离膜材料的研究现状12-14
• 1.3 分子模拟理论简介及应用现状14-18
• 1.3.1 分子模拟方法简介15-17
• 1.3.2 分子模拟在气体分离中的应用现状17-18
• 1.4 研究思路与主要内容18-20
• 1.4.1 研究思路18
• 1.4.2 主要内容18-20
• 第二章 建立模型与确定基本参数20-40
• 2.1 模拟软件简介20
• 2.2 模拟方法参数选择20-23
• 2.2.1 力场的选择20-21
• 2.2.2 周期性边界条件21
• 2.2.3 能量最小化21
• 2.2.4 控温控压方法21-23
• 2.2.5 静电力的计算与截断半径23
• 2.3 模拟材料及参数设置23-39
• 2.3.1 模拟材料23-25
• 2.3.2 模拟方法和模拟体系25-28
• 2.3.3 模型基本性质的测定28-39
• 2.4 本章小结39-40
• 第三章 天然气在聚酰亚胺中溶解行为的模拟过程40-56
• 3.1 基本条件的设定40-42
• 3.1.1 压力与温度的确定40
• 3.1.2 体系模型的建立40-41
• 3.1.3 模拟细节41
• 3.1.4 等温吸附曲线拟合41-42
• 3.2 结果与讨论42-55
• 3.2.1 拟合准确性评价42-44
• 3.2.2 等温吸附曲线拟合结果44-46
• 3.2.3 双吸附模型参数分析46-49
• 3.2.4 溶解度与溶解选择性49-50
• 3.2.5 溶解度系数与临界温度的关系50-51
• 3.2.6 溶解度与自由体积的关系51-52
• 3.2.7 溶解度系数与分子间距离的关系52-53
• 3.2.8 分子吸附能与溶解度系数之间的关系53
• 3.2.9 径向分布函数53-55
• 3.3 本章小结55-56
• 第四章 天然气在聚酰亚胺中扩散行为的模拟过程56-66
• 4.1 模拟方法和模拟体系56-57
• 4.1.1 模拟的条件56-57
• 4.1.2 扩散系数的计算方法57
• 4.2 结果与讨论57-65
• 4.2.1 扩散系数拟合求算57-62
• 4.2.2 扩散系数与气体分子动力学直径的关系62-63
• 4.2.3 扩散系数与结构的关系63-64
• 4.2.4 扩散系数与自由体积的关系64-65
• 4.3 本章小结65-66
• 第五章 渗透系数与结构的关系66-70
• 5.1 渗透系数计算66
• 5.2 结果与讨论66-70
• 结论70-71
• 参考文献71-76
• 附录76-78
• 致谢78

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