【摘要】：在過去幾十年中,瀝青質(zhì)沉積一直影響著原油的開采和運(yùn)輸,給石油工業(yè)帶來了巨大的損失。研究瀝青質(zhì)分子的自聚集對(duì)優(yōu)化石油開采、運(yùn)輸和精煉具有重要意義。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,分子模擬作為實(shí)驗(yàn)的有益補(bǔ)充被越來越多的研究者們采用。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的分子結(jié)構(gòu),大部分的瀝青質(zhì)分子通常包含有多個(gè)聚芳香環(huán),為了理解瀝青質(zhì)分子的聚集行為以及溶劑分子對(duì)瀝青質(zhì)聚集體的影響,本論文以多種模型聚芳烴分子為研究對(duì)象,利用大規(guī)模原子和分子并行軟件(LAMMPS)進(jìn)行了一系列分子動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算。論文的研究?jī)?nèi)容主要包括三大部分:一是模型瀝青質(zhì)分子的自聚集行為;二是模型瀝青質(zhì)聚集體與甲苯溶劑混合;三是隨機(jī)分布的瀝青質(zhì)分子與甲苯溶劑混合。主要的研究?jī)?nèi)容有三個(gè)部分:1.通過分子動(dòng)力學(xué)模擬研究九種模型瀝青質(zhì)分子在533 K下的聚集行為,探討了共軛芳香環(huán)數(shù)目、烷基側(cè)鏈長(zhǎng)度和烷基側(cè)鏈數(shù)量對(duì)分子聚集行為的影響。發(fā)現(xiàn)芳香核之間的π-π相互作用是導(dǎo)致聚芳烴瀝青質(zhì)分子聚集的主要驅(qū)動(dòng)力。瀝青質(zhì)分子的聚集體結(jié)構(gòu)取決于瀝青質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)。隨著芳香核心的增大,π-π堆疊構(gòu)型的穩(wěn)定性越高,并且當(dāng)共軛芳香環(huán)數(shù)目達(dá)到一定值時(shí),瀝青質(zhì)分子形成穩(wěn)定的、高度有序的“晶狀”堆疊結(jié)構(gòu)。此外,發(fā)現(xiàn)烷基側(cè)鏈顯著影響聚芳烴瀝青質(zhì)分子的聚集行為。帶兩條烷基側(cè)鏈的模型瀝青質(zhì)分子顯示出一種“層狀相分離”(PSLS)結(jié)構(gòu),其中多環(huán)芳核形成穩(wěn)定的單層堆疊結(jié)構(gòu),與烷基側(cè)鏈分開。而帶五條烷基側(cè)鏈的模型瀝青質(zhì)分子形成“柱狀相分離”(PSCS)結(jié)構(gòu),在每個(gè)柱狀聚集體中,可以清楚地觀察到長(zhǎng)程有序的面對(duì)面π-π堆疊結(jié)構(gòu)。2通過分子動(dòng)力學(xué)模擬研究低質(zhì)量分?jǐn)?shù)的甲苯溶劑在不同溫度下對(duì)瀝青質(zhì)聚集體的影響。發(fā)現(xiàn)低質(zhì)量分?jǐn)?shù)的甲苯分子并未進(jìn)入到多環(huán)芳核之間,不能破壞它們之間的π-π相互作用,但它們?cè)诰奂w邊界迅速移動(dòng),增加了聚集體之間的距離。此外與甲苯溶劑相比,溫度對(duì)瀝青質(zhì)聚集體結(jié)構(gòu)的影響較小。3.通過分子動(dòng)力學(xué)模擬研究五種隨機(jī)分布的帶烷基側(cè)鏈的瀝青質(zhì)分子與甲苯的相互作用。分析模擬得到的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)現(xiàn)少量甲苯溶劑(30 wt%)不影響體系形成PSLS和PSCS結(jié)構(gòu)。當(dāng)添加過量的甲苯溶劑時(shí),瀝青質(zhì)分子形成高度分散的納米聚集體。此外,還探討了 PSLS、PSCS以及納米聚集體中π-π堆疊結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)性質(zhì),發(fā)現(xiàn)烷基側(cè)鏈的數(shù)量和大小顯著影響聚集體中π-π堆疊結(jié)構(gòu)的大小和數(shù)量。本論文通過追蹤納米聚集體的結(jié)構(gòu)演變,提出了納米聚集體可能的解離機(jī)理。
【圖文】：

界條件以消除誤差。對(duì)于任何一個(gè)元胞，它的四周即上下左右都有一個(gè)完全相同逡逑粒子和排列的元胞。通常中心的盒子為立方體，中心盒子周圍有２６個(gè)鏡像盒子，逡逑從二維周期性邊界來看如圖２．１所示。處于中心位置的格子代表一個(gè)元胞，周圍逡逑有八個(gè)鏡像盒子，從圖中的箭頭可以看見當(dāng)模擬系統(tǒng)采取周期性邊界條件時(shí)，當(dāng)逡逑有粒子運(yùn)動(dòng)到模擬盒子之外時(shí)，同時(shí)肯定有另一相同的粒子從相對(duì)方向運(yùn)動(dòng)到模逡逑擬盒子中。因此保證了模擬系統(tǒng)中的粒子數(shù)目和密度恒定不變。逡逑７0￣￣＾0￣￣葉？￣逡逑0ｆｘ0邐０＾，０逡逑ｙ邋0’邋９邐�！澹��！义�、0邋？邋＇邋９邋＃邋Ｑ邐０邋十逡逑Ｏｒ邐Ｏ邐０＼，Ｄ邐０＾．０逡逑，０邐°＼邋0邋°＾Ｖ邋Ｐ逡逑ｔｙ邐，，０邐０＾．０邐０？邋Ｄ逡逑０邐0■邐０邋0邐０邋0逡逑圖２．１周期性邊界條件逡逑１３逡逑

ｃ圖３．３邋Ｍ１Ｂ分子體系的勢(shì)能和密度變化圖及原子位置快照?qǐng)D。（ａ）邋ＮＰＴ邋ＭＤ模擬期間的逡逑密度和勢(shì)能演變圖；（ｂ）邋ＮＶＴ邋ＭＤ模擬期間的勢(shì)能演變圖；（ｃ）不同模擬時(shí)間軌跡的快照。逡逑１８逡逑
【學(xué)位授予單位】：湘潭大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O631

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2671572