MedeA-Diffusion 計算丙酮與甲苯在不同溫度下的自擴散係數 發佈日期 2021-08-04
本應用說明如何使用分子動力學和愛因斯坦關係確定純流體丙酮和甲苯的自擴散係數。
擴散係數是許多工程和工業過程中的基本參數，例如蒸餾、溶劑蒸發、吸收、萃取、多相反應等等。通常這些過程涉及多種流體成分和多種相態、不同的濃度和溫度/壓力梯度。
核磁共振 (NMR) 技術在實驗上用以評估純液體或混合物中的自擴散係數。根據工藝條件（高壓、高溫）和化合物固有危害，NMR 測量可能具有挑戰性且成本高昂。分子動力學模擬已成為 NMR 測量的可行補充。
自擴散是在沒有化學濃度梯度的情況下由內部動能（布朗運動）引起的質量傳遞。自擴散係數作為相互擴散係數的摩爾分數依賴性預測模型的直接輸入值。
我們使用 MedeA-Diffusion 模組以及 MedeA-Lammps 並使用 pcff+ 力場進行自擴散係數計算(self-diffusion coefficients)，自擴散係數以 Einstein diffusion equation 計算取得:
分子是均方位移 (MSD)，r 是位置，t 是經過的時間，d 是模擬單元的維度。
模擬時間必須足夠長，以使擴散物質達到擴散狀態。 為了確認這一點，我們檢查以下參數：
1.計算出的斜率 (m) 來自 MSD 的對數圖（下圖）在模擬時間上對所有擴散物質進行平均：當系統達到擴散狀態，m 應該接近 1。實際上，0.9 和 1.10 之間的 m 值被認為是可以接受的。
2.MSD 的平方根對所有擴散物質進行平均：它應該與模擬框長度 (L) 相當或更大，因為只有這樣，擴散物質才採樣了配置空間的重要部分。從下圖中，我們得出結論，我們的箱體長度為 30 Ang 且 MSD 的平方根為 ~63 Ang 的甲苯運行滿足此收斂標準。
正如對於均質液體所預期的那樣，x、y 和 z 分量是等效的。 標有“線性擬合”的紅色直線表示用於實際分析的運行部分。
為了確定溫度對自擴散係數的影響，我們從 328 K 到 268 K 的溫度進行自擴散計算。在下圖中，我們顯示了單一流體配置的結果使用 200 個丙酮和甲苯分子，並且不考慮有限尺寸效應。
儘管系統尺寸小、流體配置單一且模擬時間相當短，但計算出的自擴散係數與實驗吻合較好。
對於甲苯，實驗結果是從 Guevara-Carrion 等人的工作中提取的實驗數據的彙編。我們的計算值在實驗數據的範圍內，而對於丙酮，計算值系統地小於實驗值。
計算使用模組: MedeA-Lammps，MedeA-Diffusion
若有任何問題，請洽 cae-md@cadmen.com
