分子模拟技术在石油相关领域的应用论述.pdf

分子模拟技术在石油相关领域的应用 曹　斌＊　高金森　徐春明 (石油大学重质油加工国家重点实验室　北京 102249) 摘　要　分子模拟技术是近些年发展起来的一门新兴计算化学技术。它在辅助物质设计及分子结构理 解方面所取得的一系列显著成绩使得它开始在与石油相关的油田化学 、催化剂研制 、高分子设计 、化学工程 以及重质油特征研究等方面有越来越广泛的应用 。 关键词　分子模拟　油田化学　催化剂研制　高分子设计　化学工程　重质油特征 中图分类号:TE624.4;TP3　文献标识码:A　文章编号:1005-281X(2004)02-0291-08 The Applications of Molecular Simulation Technology in the Fields of Petroleum Cao Bin　Gao Jinsen　Xu Chunming (State Key Laboratory of Heavy Oil Processing , University of Petroleum , Beijing 102249 , China) Abstract　Molecular simulation as a promising technology of computational chemistry has been rapidly developed in recent years.It has been proven to be a useful tool in the fields of material design and structural construction.The re- markable developments make it possible to apply this technology in wide ranges , which are relative to the petroleum such as oilfield chemistry , catalyst preparation ,macromolecular design , chemical engineering and heavy oil characterization. Key words 　molecular simulation;oilfield chemistry;catalyst preparation;macromolecular design;chemical en- gineering;heavy oil characterization 　　收稿:2002 年 12月 , 收修改稿:2003 年 3月 　＊通讯联系人　e-mail:caob@ 一 、 引　言 分子模拟技术是随着计算机技术和理论化学的 发展而逐步发展起来的一门新兴计算化学技术;分 子力场 、模拟分子体系算法及计算机软硬件的发展 为分子模拟方法的发展奠定了坚实的基础。 分子模拟技术在医药和材料方面有着广泛的应 用 ,它不仅可以模拟分子的静态结构 ,还可以模拟分 子的动态行为(如氢键的缔合与解缔 、吸附 、扩散 等):借助分子模拟技术 ,研究人员可以模拟实验方 法还无法考察的现象与过程 ,从而发展新的理论;研 究化学反应的路径 、过渡态 、反应机理等十分关键的 问题;代替以往的化学合成 、结构分析 、物性检测等 实验而进行新材料的设计 ,可以缩短新材料研制的 周期 ,降低开发成本;还可以模拟分子体系的各种光 谱(如晶体及非晶体的 X射线衍射图 、低能电子衍 射谱等),使我们能够更合理地解释实验结果 ,进行 产品的结构解析。 本文对分子模拟技术作了简要的介绍 ,并将其 在与石油相关的油田化学 、催化剂研制 、高分子设 计 、化学工程及重质油特征研究等方面的应用进行 综述。 二 、 分子模拟技术简介 分子模拟是以计算机为工具 ,在原子水平上建 立分子模型用以模拟分子的结构与行为 ,进而模拟 分子体系的各种物理化学性质 [ 25] 。具体而言 ,就是 先在计算机屏幕上构建分子模型 ,包括对所研究对 象的原子位置的详细描述和建立分子间相互作用力 方程 ,然后用恰当的统计力学关系对分子的位置和 第 16卷 第 2期 2004 年 3月 化　学　进　展 PROGRESS IN CHEMISTRY Vol.16 No.2 　Mar., 2004 运动情况进行统计平均以求算所需的宏观性质。分 子模拟技术包括量子力学 、分子力学 、蒙特卡洛和分 子动力学等方法 [ 1] 。 量子力学 [ 4 , 6] (简称 QM)认为微观粒子运动服 从Schr?dinger 方程 , 分子或原子处于(稳)定态的 Schr?dinger方程为本征值的方程: HΧ=EΧ