醋酸乙烯力场构建及其相平衡的分子模拟研究

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醋酸乙烯是一种用途广泛的有机化工原料,乙炔法制备醋酸乙烯在我国占据主导地位。在生产技术提升及新工艺开发过程中,汽-液相平衡数据是重要的基础数据。但该体系所需的汽-液相平衡数据非常匮乏。目前,分子模拟方法已经成为获得相平衡数据的重要方法,可以避免极端实验条件的制约,越来越受到重视。本文采用量子化学和分子动力学相结合的方法,将醋酸乙烯分子特性引入其力场参数的计算过程,构建能准确描述醋酸乙烯热力学性质的特定力场,并将其用于相平衡性质的计算,旨在为乙炔法制备醋酸乙烯合成及分离工艺的设计提供基础数据。在相平衡性质的计算中,力场决定模拟结果的准确性。针对醋酸乙烯力场参数缺失问题,分别采用迁移力场参数和量子化学两种方法获得了缺失的力场参数,并将其用于醋酸乙烯纯组分的相平衡计算中,模拟结果与实验数据的平均相对误差分别为12.4%和7.3%。结果表明,原有力场参数不适用于醋酸乙烯分子相平衡性质的精确计算。采用量子化学方法研究醋酸乙烯自身的电子和结构特性,对醋酸乙烯力场的构建进行指导。受粗粒化力场构建方法的启发,通过考察平衡体系中相邻分子对中间分子作用的影响,将基团质心作为联合原子基团的中心位置获得其键参数;采用分子簇构型,通过考察平衡体系中电荷的平均极化作用获得其电荷参数,从而使力场参数更能准确描述平衡体系的实际相互作用。构建了醋酸乙烯的特定力场并用其计算了醋酸乙烯纯组分的汽-液相平衡性质,模拟结果与实验数据的平均相对误差降低至4.8%。本文所采用的量子化学和分子动力学相结合的方法构建的醋酸乙烯特定力场具有较高的预测精度。基于新构建的醋酸乙烯力场,将其用于相平衡性质的计算延伸至二元体系,采用NPT-GEMC方法分别计算乙炔法制备醋酸乙烯体系中乙炔-醋酸乙烯、二氧化碳-醋酸乙烯、乙醛-醋酸乙烯以及氮气-醋酸乙烯二元体系的相平衡性质,模拟结果与实验数据的平均相对误差均小于10%,验证了新构建力场的准确性,拓展了该力场的适用体系。
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