Адсорбция флюидов и флюидных смесей в микропористых углеродных материалах, компьютерное моделирование эффектов неоднородности

• Автор: Сизов, Владимир Викторович
• Шифр специальности: 02.00.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 227 с.

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. ВВЕДЕНИЕ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

1.1. Адсорбция и неоднородность.

1.2. Классификация проявлений неоднородности

1.3. Выбор внешних условий

1.4. Выбор объектов

1.5. Цели и задачи работы

2. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ АДСОРБЦИОННЫХ

СИСТЕМ. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

2.1. Методы моделирования

2.2. Моделирование адсорбции простых флюидов.

2.3. Моделирование молекулярных флюидов и смесей.
2.4. Моделирование адсорбции воды
3. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ АДСОРБЦИОННЫХ СИСТЕМ.
3.1. Потенциалы межмолекулярного взаимодействия. Силовые
3.2. Обзор молекулярных моделей воды.
3.3. Выбор молекулярных моделей флюидов
3.4. Модели щелевидных пор.
3.5. Модели связанных пористых систем
3.6. Активированные поверхности для моделирования адсорбции молекулярных флюидов
4. МЕТОДИКА КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
4.1. Метод МонтеКарло в каноническом и большом
каноническом ансамблях
Теоретические основы метода МонтеКарло.
Методы МК для атомарных флюидов.
Методы МК для молекулярных флюидов
Программное обеспечение.
4.2. Метод молекулярной динамики
Теоретические основы метода молекулярной динамики
Программное обеспечение
4.3. Метод МонтеКарло в большом каноническом ансамбле с
пространственными ограничениями
4.4. Расчет изотерм адсорбции и десорбции.
4.5. Расчет коэффициентов диффузии
4.6. Расчет расклинивающего давления. Взаимосвязь давления и
химического потенциала.
4.7. Построение диаграмм состава и плотности для бинарных
систем. Расчет коэффициентов селективности.
4.8. Методика предпочтительного вброса частиц.
4.9. Методика расчета доступного для адсорбции объема.
Расчет доступного объема
Расчет доступного объема с использованием энергетического критерия контакта и статистического
определения эффективного радиуса
Алгоритм и методика расчета доступного объема
5. АДСОРБЦИЯ И ДИФФУЗИЯ XIННАРДДЖОНСОВСКОГО ФЛЮИДА В ЩЕЛЕВИДНЫХ МИКРОПОРАХ
С НЕОДНОРОДНОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ
5.1. Численный эксперимент
5.2. Общий вид изотерм адсорбции метана в порах углеродного
адсорбента.
5.3. Влияние неоднородности поверхности на ход адсорбции
метана в порах углеродного адсорбента
5.4. Диффузия метана в порах углеродного адсорбента.
5.5. Расклинивающее давление метана в порах углеродного
адсорбента.
6. АДСОРБЦИЯ МОЛЕКУЛЯРНЫХ ФЛЮИДОВ И СМЕСЕЙ В ЩЕЛЕВИДНЫХ МИКРОПОРАХ
С НЕОДНОРОДНОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ.
6.1. Численный эксперимент
6.2. Результаты моделирования неводных бинарных смесей
Смесь метан этан.
Смесь диоксид углерода метан.
Смесь диоксид углерода этан
6.3. Результаты моделирования водноспиртовых смесей
Смесь метанол вода.
Смесь этанол вода
6.4. Результаты моделирования тройной смеси
мстанолэтанолвода
6.5. Результаты моделирования несмешивающихся бинарных
систем.
6.6. Селективность адсорбента к компонентам смесей
6.7. Механизмы адсорбции молекулярных флюидов и смесей
Адсорбция воды и несмешивающихся бинарных систем
Адсорбция водноспиртовых смесей.
Адсорбция смесей, содержащих диоксид углерода
7. АДСОРБЦИЯ ЛЕННАРДДЖОНСОВСКОГО ФЛЮИДА В
ПОРИСТЫХ СИСТЕМАХ С ПРОСТРАНСТВЕННОЙ НЕОДНОРОДНОСТЬЮ.
7.1. Численный эксперимент
7.2. Изотермы адсорбции метана в системах связанных пор
7.3. Механизмы заполнения систем связанных пор
7.4. Адсорбция при наличии диффузионных ограничений.
7.5. Блокирование пор.
8. ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


Он получил достаточно широкое распространение при изучении свойств объемных флюидных систем. Метод МК в большом каноническом V ансамбле традиционные аббревиатуры , i , или , i оказался исключительно полезен для изучения границы раздела фаз, а потому стал одним из ключевых подходов к моделированию поверхностных явлений. Важным достоинством метода была прямая связь рассчитываемых характеристик системы с химическим потенциалом и, следовательно, со свободной энергией системы. Несмотря на то, что варианты метода МК были разработаны для всех основных статистических ансамблей, развитие стохастических методов моделирования на этом не прекратилось. В конце х начале х годов появился целый ряд перспективных методик, таких как метод ii . Для проведения компьютерного моделирования протекания химических реакций был предложен метод реакционного МонтеКарло iv и близкий к нему по идеологии метод реакционного ансамбля i . В изотермоизобаричсском варианте алгоритм реакционного МонтеКарло предусматривает следующие шаги 1 изменение положения или ориентации случайно выбранной молекулы 2 шаг прямой реакции случайно выбранные молекулы реагентов заменяются на молекулы продуктов 3 шаг обратной реакции случайно выбранные молекулы продуктов заменяются на молекулы реагентов 4 изменение объема для поддержания постоянства давления. Таким образом, метод позволяет минимизировать энергию Гиббса реакционной системы и определить истинно равновесное ее состояние. Следовательно, никакие кинетические ограничения при этом не учитываются, что полностью соответствует общей идеологии методов МонтеКарло. Необходимо также упомянуть о группе так называемых обратных методов моделирования. Под прямым ходом моделирования обычно понимают последовательный переход модель структура свойства. Строго говоря, методы компьютерного моделирования обеспечивают только первый переход, в то время как второй осуществляется с помощью традиционного аппарата статистической механики. По этой причине методы компьютерного моделирования нельзя относить к статистикотермодинамическим методам, поскольку техника моделирования основана не столько на специфически статистических подходах, сколько на классических общефизических принципах. Следуя данному выше определению, обратное моделирование должно осуществлять переход от свойств системы к ее структуре и, возможно, к математической модели. Карло , v , предложенным в работе и часто использующимся для анализа и реконструкции структуры неупорядоченных материалов. Базой для применения метода служит экспериментальная информация о распределении молекул, полученная, как правило, дифракционными методами. Переход к математической модели достигается в обратных методах I iv , и ii . Целью обоих методов является оптимизация параметров используемой математической модели для достижения согласия рассчитываемых характеристик системы либо с экспериментальными данными, либо с результатами, полученными на более высоком уровне теории. Развитие методов молекулярной динамики также шло по пути расширения возможностей их применения за пределами V и Vансамблей. В году метод МД был реализован для изотермических и изобарических условий . Для моделирования систем вдали от состояния равновесия и расчета транспортных характеристик на молекулярном уровне были разработаны методы неравновесной молекулярной динамики , iii i. Среди них можно отметить метод , iv, созданный для моделирования транспортных процессов, вызванных наличием градиента температуры, химического потенциала или плотности . Два варианта этого метода, V v i i метод МД в большом каноническом ансамбле с двойным контрольным объемом и V используются для изучения процессов прохождения веществ через мембраны и механизмов мембранного разделения. Метод V будет рассмотрен подробнее в разделе 4. Техника использования контрольных объемов для поддержания заданного химического потенциала возникла в ходе разработки метода МД в большом каноническом ансамбле , i i и близких к нему по идеологии методах двойного ансамбля , ,.