气体混合物各组分化学势的MonteCarlo模拟Eduwest.PDF

第 16 卷 第 3 期 物 理 化 学 学 报 Vol . 16 ,No . 3 2000 年 3 月 A C TA P H YSICOCH IM ICA SIN ICA March ,2000 气体混合物各组分化学势的 Monte Carl o 模拟 金文正 汪文川 (北京化工大学化学工程学院 ,北京 100029) ( ) ( ) 摘要 用正则系综测试粒子 Mo nt e Carlo GCM C 方法模拟常温下空气 以氮气为代表 及其污染 ( ) 物微量有机物 以苯为例 的混合物中各组分的化学势 . 模拟中 , 氮气和苯分子采用 LJ 球型分子 势能模型 , 采用 Met ropoli s 抽样及周期边界条件 . 通过模拟并拟合得到了在 300 . 2 K 、苯的摩尔分 数为 0 . 0625 ,氮气及苯化学势与压力的关联式 , 以用于狭缝碳孔中该混合物体系的选择性吸附 . 关键词 : 正则系综 , Mo nt e Carlo 模拟 , Wi do m 测试粒子法 , 化学势 学科代码 : B 03080 1 , B 03 1002 Gibb s 或 Helmholt z 自由能及其相关的热力学性质在描述流体及流体混合物的相行为和 许多工业单元操作如高纯度萃取 、共沸精馏及某些特殊 的化学分离上具有重要 的意 [1 ] 义 . Gibb s 或 Helmholt z 自由能数据一般通过三个途径得到 , 即实验测定 , 模型计算以及计 算机分子模拟预测 . 随着计算机软 、硬件及计算机模拟理论的发展 ,计算机分子模拟具有 日益 重要的意义和广阔的前景 . 尤其是最近几年 , 许多研究者对化学势及其相关热力学性质如溶 解度 、Henr y 常数等进行了计算机模拟预测 . 如 Iw ai 及其同事对多种芳香组分在超临界二氧 [2 ] 化碳中的溶解度进行了模拟计算 . 在稀水溶液方面 , 因其对生物工程 、环境处理如溶解度 、 溶质分配系数等有较为重要的意义 ,而尤为许多学者所关注[3 ,4 ] . Gibb s 或 Helmholt z 自由能的模拟一般有仅适用于低密度流体的 Wi do m 测试粒子 (t est p art icle) 法[5 ] , 以及针对高密度流体开发的方法 , 如 Kir kwoo d 偶合参数热力学积分[6 ] (t her mo dynamic int egr at io n i mp lement ed b y coup lin g p ar amet er ) 法 、自由能扰动[7 ] (f r ee en er gy p ert ur bat io n) 法 、重叠分布[8 ] (overlapp ing di st ribut io n) 法等 . 这些为高密度流体开发的方法 虽然能在不同程度上克服或不存在高密度的障碍 ,但都以较大的计算机时费用作为代价 . 本文应用 N V T 系综 Wi do m 测试粒子插入法模拟 300. 2 K 、苯的摩尔分数为 0. 0625 的苯 氮气体混合物中各组分的化学势 , 并得到了化学势与压力的关联式 , 用于该体系吸附过程的 [9 ] 模拟 . 1 势能模型 因为氮气 、苯均为非极性分子 , 且分子对称性较好 , 故采用球型 LJ 势能来表征它们分子 间的相互作用是可以接受的 . LJ