探析分子筛晶内吸附和扩散的模型化研究

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1、北京化工大学硕士学位论文分子筛晶内吸附和扩散的模型化研究姓名：李世刚申请学位级别：硕士专业：化学工程指导教师：刘辉20040526北京化_[大学硕士学位论文摘要本文主要以择型催化为应用背景，开展了两方面工作：喑口分工作是分子筛晶内扩散的宏观热力学模型研究，并提出预测晶内扩散的活化能、预报扩散系数的新方法；另一部分工作是采用分子模拟方法，开展分子筛晶内吸附的MonteCarlo模拟研究工作。首先针对烃类在分子筛催化剂内的扩散进行研究。收集了近年来发表的烃类扩散质在ZSM一5分子筛中的大量扩散活化能和扩散系数实验数据，基于此对广为引用的Xiao和Wei的GT扩散系数模型进行了评估和

2、分析。结果表明，该模垂9的扩散系数预测值只与C3．C6等简单烷烃、苯和环己烷的扩散系数实验值在相同数量级，而对于结构较复杂的烃类，预测与实测相差几个数量级。建立了基于基团贡献法的分子筛晶内扩散活化能以及扩散系数的计算模型。通过与GT模型计算值以及文献报道的大量在ZSM一5分子筛中的扩散活化能和扩散系数实验数据的比较表明，基团贡献法比GT模型适用面广、精确度较高。特别是可以弥补GT模型不适用较复杂扩散质的缺陷。首次报道将晶内扩散活化能与扩散质的标准沸点相关，得到线性相关系数都接近或大于0．9，表明可以用与分子间作用力相关的标准沸点作为扩散质分子与分子筛孔道间相互作用大小的量度。接

3、下来是从目前常用的分子模拟方法去模拟分子在分子筛里面的吸附行为，在文章的第三章主要介绍分子模拟原理和方法，同时用简单分子的相平衡对分子模拟的可靠性进行了检验。由于在分子模拟中要涉及到随机抽样，其随机数发生器的优劣直接会影响到模拟效果。在第四章中针对目前随机数发生器存在的缺陷，丌发了一套新的随机数生成的新方法——超素数法，同时给出了相关证明和推导。在此基础七，又开发了两种更为优良的方法：优选乘子算法和超素数长周期算法，并且从统计性能方面进行了比较，其效果明显优于传统算法。在文章的最后，用GCMC方法模拟了N2在5A分子筛中的吸附情况，并且和文献报道的试验值进行了比较，得到了较为理

4、想的结果，另外还通过截面的吸附情况分析了在5A分子筛里面的吸附能力分布。然而在石油化工中关心的基本上是长链烷烃以及芳香烃的反应，同时ZSM一5具有优良的分子选择特性．因此成为众多石油化工厂反应的催化剂。然而对于有强烈内部作用的长链分子，常用北京化工大学硕十学位论文的GCMC方法模拟可能效率不是很好，因为链状分子的其中一个原子被取代对于整个构型的变化没有太大影响会导致统计性能很差。并且插入的成功的概率几乎为零，长链分子很容易和体系中其它分子重叠导致很高的相互作用势能。针对长链分子在模拟过程中难以插入的问题，引入了偏倚MonteCarlo方法，详尽的介绍其原理及具体实施过程，用此方

5、法模拟了戊烷在ZSM-5中的吸附情况，得到了较为理想的结果。关键词：5A分子筛，ZSM一5分子筛，晶内扩散，晶内吸附，GT扩散模型，MontleCarlo模拟，随机数，偏倚MC方法北京化工大学硕十学位皓文ABSTRACTTheobjectivesofthispaperarerelatedtothemodelingofintra-crystallineadsorptionanddiffusioninzeolitewithitspotentialapplicationstotheshapeselectivecatalysis．Tothisend，anewthermodynamicm

6、odelisdevelopedtopredictdiffusivitiesofhydrocarbonsinzeolites，andmolecularsimulationsarealsocarriedouttopredictadsorptionisothermsofhydrocarbonswitIllongchainsinzeolites．Inthefirstpartofthispaper,first．thewell-knownXiaoandW巍’SGTmodelforpredictionofdiffusivityofhydrocarbonsinzeoliteswascritic

7、allyevaluatedbasedonadatabasesetofthedifthsionalactivationenergymadthediffusionalcoefficientsreportedintheliterature．ItwasdemonstratedthatwhiletheGTmodelpredictsquantitativelythediffusionalcoefficientsofC3-C6hydrocarbons．ityieldslargeerrorsofsevera