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【COSMOlogic应用实例】COSMOtherm软件在化工热力学教学中的应用
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【COSMOlogic应用实例】COSMOtherm软件在化工热力学教学中的应用

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COSMOlogic

摘要:

热力学教学主要包括平衡研究和过程的热力学分析,其中汽液平衡计算是一大重难点,关键在于相平衡方程的描述。教材主要介绍了状态方程(E0S)法和活度系数法求解,但均涉及繁多的定义、修正参数和筛选条件,且知识点相对零散,理解和掌握比较困难。COSMOtherm软件以化学位计算为基础,再根据化学位与其他热力学函数的定量关联,求出体系的各项热力学性质,由此将复杂的概念串联起来。通过软件学习与运用,有利于促进学生对热力学知识点的理解,拓宽学习思路。

 

引言:

相平衡研究是化工热力学课程教学的重点内容,其中汽液平衡数据计算(温度r、压力p与汽液组成xi,yi的对应关系)是一大难点。

 

教材主要介绍了用状态方程法和活度系数法来求解相平衡问题,这两种方法比较常用,但学生理解起来比较吃力。

 

主要难点在于:

(1) 概念、定义繁多——如混合变量△M、超额性质肘8、剩余性质肘、活度系数扎逸度^标准态、混合规则等,由于定义严格、适用条件复杂,知识点相对零散,关联记忆难度比较大。

 

(2) 内容理论性强,比较抽象——以化学位为例,作为相平衡判据,化学位常常不可求,或者需要先求出其他热力学函数再迭代求解,而且在热力学气液相平衡实验中也没有涉及化学位的计算,并没有将该判据真正用起来。

 

一、COSMO计算原理概述

1.1 COSMO-RS理论、化学位计算原理简介

量子化学的发展使计算模拟分子结构成为可能,开拓了由微观结构预测宏观性质的道路,即通过估算分子间相互作用强度、能量传递,模拟分析理化变量的性质。COSMOthe珊软件用到的类导体屏蔽模型(COSMO-RS)是对连续溶剂化模型(COSMO)的发展,运用了局部组成的概念,可以预测纯流体及流体混合物的热力学平衡性质。计算流程如图1所示,首先运用量子化学原理求出溶液各组分在真空中能量最低态(即电荷分布平衡态)下分子的优化结构,得到表面电荷分布,并将极化电荷密度转化为分布函数pi(δ)(即δ-profile及δ-potential)。这个函数描述了分子间的相互作用能,据此可以求出溶剂化的影响。结合结构的电荷分布和溶剂化的影响,就能求出组分i在溶剂S中的化学位us。再经过统计热力学处理,就可以求出其余热力学性质。

 

1.2 与化学位相关热力学性质计算

求出化学位之后根据热力学函数定义、Maxwell关系式转换及偏摩尔性质计算关系等,可以用关于化学位u及P、V、T的函数表示宏观热力学函数S、U、H、A、G及各自的偏摩尔量等,如图2所示。

 

二、COSMO计算示例

2.1 汽液平衡计算

以两相体系为例,恒温下相平衡判据为:

汽液平衡可用逸度关系表示为fiV=fiL,教材中将两相逸度分别用EOS法或γ,法表示,再解方程得出T—p—x—y对应关系。COSM0therm直接从化学位判据出发,先求出u,就可以进一步求出活度系数等相平衡数据(参见表1)。基于化学位计算结果,可以求出体系总压、组分活度系数和汽相分率等。我们以乙醇一水体系为例计算汽液平衡数据(表2),并比较cosMOthenn计算和Aspen实验获得的相图(图3)。

对比COSMOtherm模拟数据与Aspen实验数据库可以发现313.15K时乙醇一水体系恒沸组成在O.1附近,模拟结果与实验数据基本吻合,相图变化趋势也相同。所以利用该软件预测混合体系汽液相平衡数据,能为实验工作提供有价值的参考。

 

2.2 蒸汽压计算

COSMO计算蒸汽压公式形式与Antoine方程类似,但着眼于相平衡过程对应的能量关系,蒸汽压的计算本质上还是化学位的计算。溶剂S中组分i的气相分压Pi御取决于溶剂和气相中该组分吉布斯自由能的差值,并且与温度正相关。

 

因此我们可以通过计算化学位差us-ugas及EiCOSMO求出给定状态下纯物质和混合物的饱和蒸气压,并且这种方法是通用的,不需要查参数A、B、C的值(见表3)。也就是说,对于任意物质(纯物质或混合物体系),只要知道其组成和相应分子结构,我们就能通过量子化学计算求出各自的化学位,进而预测体系蒸汽压分布曲线。

 

由表4,COSMOtherm直接计算0—100℃纯水的饱和蒸汽压时,相对误差达到近27%,说明纯理论模拟虽然可以估算蒸汽压范围,但是误差较大。如表5所示,当引人少了实验数据点校正后,COSMO模拟数据与实验数值高度吻合。因此,COsMOtlle珊虽然可以独立预测溶液体系热力学数据,但如有精度要求,仍需要添加实验数据加以校正。

 

 

三、结论:

传统化工热力学教学中定义多,公式复杂,概念抽象,知识点比较零散,学生在结合物理意义理解时感觉十分吃力。而COSMOthe瑚把众多热力学性质的计算统一到化学位的计算,使得繁杂的概念有了共同的物理意义的支撑,便于学生关联理解和记忆。

 

文章详情: 10.16597/j.cnki.isnn.1002—154x.2021.01.008

 

北京泰科博思科技有限公司是COSMOtherm软件的官方代理商,具有10+技术和商务服务经验,更多软件详情或者技术支持,请联系北京泰科。

 

电话:010-64951848

邮箱:sales@tech-box.com.cn

 

北京泰科为广大科研学者提供了交流讨论平台,建立了COSMOlogic专属微信群,欢迎广大学者来电/邮申请入群,一起解决科研中的困扰与难题,我们期待您的参与。

 

BIOVIA溶剂化化学模型提供以下应用的软件:

(1) COSMOtherm

该模型包含三个COSMOtherm组件,使用COSMO-RS方法预测广泛的性质。

 

可以计算纯液体的性质,如密度、沸点、闪点、分配系数,以及混合性质,如汽液平衡、液液平衡、溶解度、蒸气压、活度系数等。在工作流环境中集成COSMOtherm提高了COSMO-RS方法的筛选潜力。

 

可以筛选大量溶质、溶剂或溶剂混合物的性质,例如药物在大量溶剂中的溶解度。

 

(2) COSMOconf

COSMOconf组件是一个conformer生成工具。您可以使用预定义的标准过程来为cosmors生成最相关的符合器,也可以使用您自己的过程。

 

(3) COSMOperm

这一成分预测了溶质通过生物膜的渗透性。您可以选择一套预先定义的膜系统或使用自己的膜。

 

(4) COSMOplex

该组件提供了COSMO-RS方法的COSMOplex扩展。可以用它来计算非均匀系统的性质,例如,界面张力或临界胶束浓度,或创建新的生物膜系统。

 

(5)COSMOquick

COSMOquick碎片化技术可作为cosmors计算的一种快捷方法。该组件还可以用于应用预定义的QSPR模型或计算唯一的化学描述符。

 

(6)TURBOMOLE

该模型提供了一个组件,您可以使用TURBOMOLE1®程序包执行量子化学计算。

 

(7) COSMO DATABASES

可以将COSMO数据库集成在Pipeline试点中使用。这适用于BIOVIA COSMObase以及您自己的自定义COSMO文件数据库。一个特殊的组件可用于复合数据访问。

 

(8) READERS AND UTILITIES

溶剂化化学组分模型提供了一对读者和实用程序。可以使用COSMO文件读取器和TURBOMOLE coord文件读取器来访问特定的文件格式。预调节器可以帮助您确保正确设置其他组件所需的相关属性。

 

北京泰科涉及行业

材料研发

基于BIOVIA Materials Studio材料设计平台,提供涉及电池、航空航天、国防军工、建筑、涂料涂层等多领域材料研发软件及综合解决方案

 

药物研发

针对药物设计、药物研发等提供基于Discovery Studio、COSMOLOGIC等软件的ADME、构象比对、溶剂筛选、结晶、成盐、共晶筛选、稳定性、溶解度pKa、分配系数等性质的模拟预测软件及方案

 

化工设计

面向精细化工、新能源、石油化工等领域提供精馏萃取催化剂设计、热力学性质(溶解度、粘度等)、提纯表面处理吸附等性质模拟软件平台及解决方案

 

数据挖掘

基于Pipeline Pilot提供数据搜集、数据清洗、特征工程、机器学习、流程设计等多种数据挖掘综合解决方案

 

一体化实验室

• 实验室信息管理

• 电子实验记录本/SOP执行

• 试剂耗材管理

• 仪器管理

• 数据管理

 

部分产品

量化材料类

• Crystal:固体化学和物理性质计算软件

• Diamond:晶体结构数据可视化分析

• Endeavour:强大的求解晶体结构的软件

• Molpro:高精度量化软件

• Molcas:多参考态量软件                   

• Turbomole:快速稳定量化软件

• TeraChem:GPU上运行的量化计算软件

• Spartan:分子计算建模软件

 

数据分析类

• GelComparll:凝胶电泳图谱分析软件

• SimaPro:生命周期评估软件             

• Unscrambler:完整多变量数据分析和实验设计软件      

• CSDS:剑桥晶体结构数据库

• lCDD:国际衍射数据中心数据库                

• ICSD:无机晶体结构数据库

• Pearson’s CD:晶体数据库

 

公司简介:

北京泰科博思科技有限公司(Beijing Tech-Box S&T Co. Ltd.)成立于2007年,是国内领先的分子模拟及虚拟仿真综合解决方案提供商。

 

北京泰科博思科技有限公司与国际领先的模拟软件厂商、开发团队深入合作,为高校、科研院所和企业在材料、化工、药物、生命科学、环境、人工智能及数据挖掘、虚拟仿真教学等领域提供专业的整体解决方案。用户根据需要在我们的平台上高效的进行各种模拟实验,指导实际的生产设计。

 

北京泰科博思科技有限公司拥有一支一流的技术服务团队和资深的专家咨询团队,以客户真正需求出发,服务客户,为客户创造价值。我们秉承“职业、敬业、担当、拼搏、合作”的企业精神,致力于用国际领先的软件产品和专业全面的技术支持服务,成为客户可信赖的合作伙伴。 

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