萘热解生焦过程的反应分子动力学模拟

采用分子模拟的方法深入研究萘在热解生成针状焦过程的反应分子动力学。运用反应力场ReaxFF模拟该反应过程,并进行量子化学分析,推断得到萘分子在热解生焦过程中的主要反应历程。萘分子在自由基夺氢的情况下生成自由基•C₁₀H₇, •C₁₀H₇两两结合生成1,1′-联萘,1,1′-联萘再脱氢缩合生成苝,苝再进行脱氢缩合反应,芳核也随之增大。反应分子动力学模拟结果表明,在萘生焦过程中,反应生成的小分子和自由基会促进萘热解反应。在针状焦生成前期,应当控制热解反应的温度和压力,适当抑制气体挥发速率,以保证小分子和自由基能够参与芳核的生长反应。     

乙烯生成苯副反应网络和反应机理数值模拟

结合Materials Studio软件与Aspen Plus软件计算结果,提出了乙烯生成苯副反应网络是经自由基+烯或自由基+炔发生加成反应生成大自由基,并由大自由基继续发生环化、脱氢直到生成苯的反应方式进行的观点。建立了乙烯生成苯的副反应网络,得到其自由基反应机理。乙烯生成苯的副反应网络共包括54个自由基反应,共6条生成苯的反应路径。将此6条路径进行产物标记,通过Aspen Plus软件进行过程模拟计算,根据产物分布对反应网络进行简化,得到由乙烯生成苯的2条主要路径：一是C2H3?与乙烯进行加成反应生成1-C4H7?4,再环化生成C6H11?,再经过脱氢、传递,最终生成苯;另一个途径是C2H3?与乙炔加成为1,3-C4H5?4以及C2H3?分解为乙炔,乙炔链传递为乙炔基,乙炔基与乙烯加成生成1-C4H5?4,1-C4H5?4再异构为1,3-C4H5?4,生成的1,3-C4H5?4再环化生成C6H9?,然后脱氢、传递,最终生成苯。将得到的模拟产物分布与文献中的实验数据进行对比,证明了模拟计算结果的准确性。     

正戊烷热裂解一次反应机理的数值模拟

Materials studio与Aspen软件相结合,提出了一种单体烃热裂解自由基机理的理论研究新方法,并用该方法研究了正戊烷热裂解的一次自由基反应机理。结果表明,正戊烷有可能发生的热裂解一次反应共25个,经过Aspen软件对单路径和合并路径的反复计算,最终确定18个自由基反应为主要反应;这18个反应分别构成了由H·、CH3·和C2H5 ?3个自由基组成的链传递循环反应。其中C2H5与正戊烷链传递最短的优势占领了先机,形成以2 C5H11·分解为首的C2H5·循环,生成C2H6和C3H6;CH·需要1 C3H7分解后才能形成以1 C5H11和3 C5H11·为首的4个循环,按产物多少依次为,1 C5H11·生成CH4和双倍的C2H4,3 C5H11·生成1 C4H8和CH4,3 C5H11生成2 C5H10和H2,1 C5H11·生成1 C5H10和H2。最后,笔者对分子模拟中出现的与裂解规律不相符的计算数据进行了剖析。     

分子结构对针状焦中间相堆积形态的影响

采用分子模拟方法考察分子结构对针状焦中间相堆积的影响。模拟结果表明,蒽三聚物和四聚物堆积形态比较有序,而二聚物、五聚物和六聚物堆积形态不规整。模型化合物中的蒽三聚物和四聚物是针状焦中间相理想的分子组成。研究发现,蒽三聚物分子结构中引入烷基侧链不利于中间相的有序堆积。总之,与蒽三聚物或四聚物结构相似且不含侧链的化合物是针状焦中间相理想的组成。     

1-丁烯热裂解反应机理的数值模拟

采用Materials studio分子模拟软件和Aspen plus过程模拟软件研究了1 丁烯热裂解的反应机理。结果表明,1 丁烯热裂解的反应产物主要由4个链传递循环和2个链传递反应通过不断消耗原料而生成。其中,4个循环中有3个是由1 C4H7· 3循环反应组成,分别经过生成丁二烯和H·的反应,最后生成乙烯和乙烷、丙烯和甲烷、氢气,丁二烯收率是这3个循环的总和;另一个循环由1 C4H7· 4形成,产物为乙烯。2个链传递反应由1 丁烯链引发生成的CH3·和1 C3H5· 3两个自由基继续与1 丁烯进行链传递组成,分别生成等量的甲烷和丙烯。     

正庚烷脱氢生成烯烃反应机理的模拟研究

采用基于密度泛函理论的量子化学方法研究了催化重整过程中正庚烷脱氢生成烯烃的反应过程。通过对比2条不同的反应路径得出, Pt原子在脱氢反应中生成的Pt H活性中心具有吸取单电子的能力,具有较强的脱除氢自由基的催化能力。反应过程中,正庚烷首先在0价态的Pt原子表面发生化学吸附,随后发生脱除氢自由基反应,生成庚基自由基和Pt H活性中心,优先生成2 庚基自由基,最低反应能垒为7589 kJ/mol;庚基自由基直接与Pt H催化剂活性中心发生化学吸附,进一步发生脱除氢自由基反应,生成庚烯与Pt H2,优先生成2 庚烯,最低反应能垒为1752 kJ/mol;最终,庚烯从Pt H2表面发生脱附,随后Pt H2发生脱附反应生成H2和再生的0价态的单Pt催化剂。该反应路径中最大反应能垒为7589 kJ/mol。实验证明,正庚烷脱氢生成正庚烯的反应过程中优先生成2 庚烯。     

C4烷基化反应机理的分子模拟

采用基于密度泛函理论的量子化学方法计算了异丁烷/丁烯烷基化基元反应的反应能垒。结果表明,反应能垒最高的异丁烷氢负离子转移反应是烷基化反应的速率控制步骤。tert C+4与丁烯反应主要得到目标产物三甲基戊烷, tert C+4可由异丁烯质子化生成,或由sec C+4骨架异构化生成,也可由正丁烯先异构化生成异丁烯,异丁烯进一步质子化生成,还可由异丁烷氢负离子转移反应生成。通过对反应过程中与C4烷基化目标产物C+8相关的异构化基元反应能垒的计算,得到C4烷基化反应中目标产物C8产物的生成路线,分子模拟所得的结果与实验所得的产物选择性结果相一致。     

甲基离子在裂化反应过程中生成及转化研究

在固定床微型反应器装置上,采用2种活性位点密度不同的MFI分子筛进行1-戊烯催化裂化反应实验,发现二者气相产物组成尤其是氢气和甲烷存在较大差异,进一步引入热裂化反应气体组成进行对比。研究发现：在负氢离子转移反应较强的环境下,甲基离子易发生双聚或与烯烃叠合反应,氢离子也易发生迁移反应;在负氢离子转移反应几乎为零的热裂化反应系统中,甲基自由基则主要与氢自由基结合或者发生夺氢反应生成甲烷。热裂化反应和催化裂化反应过程中甲烷的生成在本质上具有相似性,均源于前身物甲基离子与氢离子的结合。研究结果为调控甲基离子的反应路径提供理论基础,从而达到抑制甲烷生成的目的。     

渣油悬浮床加氢裂化反应机理

在高压反应釜中模拟悬浮床加氢裂化反应,考察了辽河稠油在H2氛围下的热裂化反应和油溶性分散型Ni 催化剂存在下的悬浮床加氧裂化反应结果的差别,也对比了两者的气体产物组成、反应生焦及催化剂的SEM形貌和反应牛焦的元素分析结果,以探讨渣油悬浮床加氢裂化反应机理.结果表明,悬浮床加氧裂化反应与热裂化反应相比,气体产物分布没有差别,轻油收率略有降低,但其生焦量却大幅降低,说明悬浮床加氢裂化反臆主要按自由基热反应机理进行,分散型催化剂的存在只是起到促进加氢反应速率的作用.加氢裂化反应生焦的Ni含量显著增加,其来源应为催化剂,山此可以断定催化剂在反应前期促进加氧反应速率,抑制反应的裂化和生焦,反应后期被反应过程中生成的焦炭严密包裹,成为焦炭沉积的场所,因此减少了反应器壁的结焦.     

正戊烷热裂解自由基反应模型的研究

在自由基反应机理的基础上,构建了正戊烷热裂解自由基反应网络,根据量子化学计算结果和文献数据,建立了正戊烷热裂解自由基反应模型,该模型包括14个分子和17个自由基共计199个自由基反应。采用NM-Ⅱ型蒸汽热裂解模拟实验装置对正戊烷进行不同温度条件下的热裂解实验,以验证模型模拟结果的精度。实验结果表明,在炉管出口温度低于750℃时,正戊烷热裂解产物收率的模拟结果与实验结果基本吻合;在炉管出口温度高于750℃时,模拟结果与实验结果存在偏差;建立的正戊烷热裂解自由基反应模型能够较好地模拟低温工况下裂解产物的收率情况。     

沥青质分子聚集体中氢键作用力的研究

为研究沥青质分子聚集体中的氢键作用,用量子力学与分子动力学相结合的方法对形成沥青质分子聚集体中的氢键进行了研究。结果发现,沥青质分子中含有的N、S、O等杂原子是沥青质分子形成氢键的必要条件;沥青质分子聚集体形成单个氢键的键能较小,但聚集体中含有多个氢键时,其分子间的作用力会大幅增加。沥青质分子形成氢键的本质是由于H原子与杂原子的价层轨道电子进行叠加形成的,沥青质分子间有极少量的电子转移,导致形成弱的次级键; 在氢键作用中,起主要作用的是轨道相互作用能和色散作用能。     

丙烷均相氧化脱氢及反应动力学模拟

在不锈钢连续流动反应器内进行丙烷均相氧化脱氢的小型试验。丙烷转化率５５％～７５％时，主要产物Ｃ３Ｈ６、Ｃ２Ｈ４、ＣＨ４及ＣＯｘ（ＣＯ＋ＣＯ２）收率（按丙烷）分别为１７％～１９％、１９％～２８％、８％～１４％及１０％～１４％及约２．５％的乙烷。得出了符合本试验条件的以自由基反应机理为基础的动力学模型。用模型计算得的产物收率与试验结果吻合甚好。以丙烯收率为目标函数，对反应条件做了优化，得丙烯最高收率及相应的乙烯收率分别为２２％及３６％，丙烷转化率为８８．５％。反应条件为：温度８７０Ｋ（恒温），Ｏ２／Ｃ０３值０．４４，停留时间１．７ｓ。     

正庚烷脱氢生成烯烃反应的分子模拟

采用基于密度泛函理论的量子化学方法研究了催化重整过程中正庚烷脱氢生成烯烃的反应过程。结果表明,在无催化剂作用下,正庚烷分子的仲碳C-H键优先发生均裂,生成烷基自由基和氢自由基,均裂能在433.80～434.83 kJ/mol范围;中间产物烷基自由基中,与自由基碳相邻的仲碳位的C-H键容易发生均裂生成烯烃,均裂能在187.11～209.18 kJ/mol范围。正庚烷脱氢反应产物主要为2-庚烯和3-庚烯。在Pt催化剂作用下,正庚烷均裂仲碳位C-H键的反应能垒在75.90～78.51 kJ/mol范围,中间产物烷基自由基中,与自由基碳相邻的仲碳位的C-H键均裂的反应能垒为99.63 kJ/mol,说明Pt催化剂有效地降低了烷烃脱氢反应能垒。
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HY分子筛催化异丁烷/丁烯烷基化反应中加成反应的模拟研究

建立了120T HY分子筛模型,采用量子力学与分子力学（QM/MM）相结合的方法,揭示了叔丁基烷氧基团（TBA）〖JP〗与异丁烯/2 丁烯发生加成反应的细节,并比较了二者的异同。结果表明,叔丁基碳正离子是加成反应的过渡态,且TBA与2 丁烯分子发生加成反应的能垒值是与异丁烯反应的2倍左右。这是由于过渡态的碳正离子与异丁烯之间的电荷转移明显大于与2 丁烯的,二者之间的相互作用力更强,故过渡态能量更低。另外,由于TBA与2 丁烯发生加成反应后中心C原子稳定性降低,故需要首先生成“三角形结构”中间产物,再形成C8碳正离子,最终形成C8烷氧基团完成加成反应。     

烃分子供氢能力的分子模拟

为考察不同类型烃分子作为供氢剂的可能性及供氢能力的高低,选用基于密度泛函理论的量子化学从头算法,系统地研究了不同类型烃分子不同位置C-H键断裂反应的能垒和反应热。结果表明,在链烷烃和环烷烃中,C-H键断裂由易到难的顺序为叔碳原子C-H键、仲碳原子C-H键、伯碳原子C-H键。与链烷烃和环烷烃相比,四氢萘α位C-H键更易断裂,其供氢能力更强。在四氢萘结构基础上新增1个芳环,并形成9,10-二氢蒽型结构时,其供氢能力进一步增强。     

烷基取代基对烷基四氢萘供氢能力影响的分子模拟

采用基于密度泛函理论的量子化学从头算法,计算了不同类型1-烷基四氢萘分子中α位C-H键断裂的反应能垒和反应热,讨论了1-烷基四氢萘的供氢能力,并考察了1-烷基四氢萘分子中烷基的链长和异构化程度对该α位C-H键断裂的影响。结果表明,与四氢萘相比,1-甲基四氢萘分子中甲基旁α位C-H键更易断裂,因此1-甲基四氢萘的供氢能力比四氢萘更强。如果1-烷基四氢萘分子中的烷基取代基不影响其旁边α位C-H键断裂产物自由基的p-π共轭,该烷基的链长及异构化程度的变化对α位C-H键断裂的影响不大,也即对1-烷基四氢萘的供氢能力的影响很小;1-叔丁基四氢萘中的叔丁基破坏了α位C-H断裂产物自由基的p-π共轭结构,导致1-叔丁基四氢萘的供氢能力低于四氢萘。