دانشگاه یزد
دانشکده علوم
پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد
شیمی فیزیک
محاسبات انرژی آزاد گیبس برای تعویض مهمان در هیدرات گازی sI با بهره گرفتن از شبیه سازی دینامیک مولکولی
استاد راهنما
دکتر حسین محمدی منش
استاد مشاور
دکتر محمد کمالوند
اسفندماه 93
(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)
تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :
(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)
فهرست مطالب
عنوان صفحه
1-2- هیدراتهای گازی در گذر زمان.. 3
1-3- ساختار هیدراتهای گازی.. 4
1-3-4- نکاتی مربوط به ساختارهای هیدرات.. 7
1-5- هیدراتهای گازی در طبیعت… 8
1-6- اهمیت هیدراتهای گازی.. 10
1-6-1- مزایای هیدرات گازی.. 11
1-6-1-1- انتقال گاز طبیعی.. 11
1-6-1-3- جداسازی دیاکسیدکربن.. 12
1-6-1-4- هیدراتهای گازی در صنعت غذایی.. 13
1-6-1-4-1- تغلیظ آب میوه ها 13
1-6-1-4-2- شیرینسازی آب دریا 13
1-6-1-4-3- جداسازی آنزیمها 14
1-7-1- بازدارندههای ترمودینامیکی.. 15
1-7-2- بازدارندههای غیرترمودینامیکی.. 16
1-7-3- معیارهای بازدارنده. 16
فصل دوم:شبیه سازی دینامیک مولکولی
2-2- شبیه سازی دینامیک مولکولی.. 21
2-3- سامانه های مدل و پتانسیل های برهمکنش…. 21
2-4- معرفی مدل پتانسیل برای برهمکنش بین مولکول های سازندهی سامانه. 23
2-5- معرفی مدل پتانسیل برای برهمکنش بین سیستم و محیط.. 23
2-5-1- شرایط مرزی دورهای.. 24
2-5-2- قطع پتانسیل و قرارداد نزدیکترین تصویر. 25
2-6- الگوریتم انتگرالگیری زمانی.. 25
2-6-3- الگوریتم ورله سرعتی.. 28
2-7- اولین گام در شبیه سازی دینامیک مولکولی.. 29
2-7-1- تعیین مکانهای اولیه ی ذرات.. 29
2-7-2- تعیین سرعتهای اولیه ی ذرات.. 30
2-8- دومین گام در شبیهسازی دینامیک مولکولی.. 30
2-9- سومین گام در شبیهسازی دینامیک مولکولی اندازه گیری خواص ترمودینامیکی.. 31
2-10- چهارمین گام در شبیهسازی دینامیک مولکولی: تحلیل نتایج.. 32
2-11- انواع مجموعه ها در شبیهسازی دینامیک مولکولی.. 32
2-12- انواع خطاها در شبیهسازی دینامیک مولکولی.. 33
2-13- محدودیتهای شبیهسازی دینامیک مولکولی.. 34
2-13-2- تعیین پتانسیلهای برهمکنش…. 34
فصل سوم: محاسبات انرژی آزاد گیبس
3-1- انواع خواص ترمودینامیکی.. 36
3-1-1- توابع ترمودینامیکی ساده. 36
3-1-1-3- میانگین مجذور نیرو. 37
3-1-2- توابع ترمودینامیکی پاسخ.. 38
3-1-3- خواص وابسته به انتروپی.. 39
3-1-3-1- انتگرال گیری ترمودینامیکی.. 40
3-1-3-2- روش ذرهی آزمایشی.. 40
3-2- انواع روشها برای محاسبه ی اختلاف انرژی آزاد. 43
3-2-1- اختلال ترمودینامیکی.. 43
3-2-1-1- محاسبهی اختلاف انرژی آزاد حلال پوشی بازهای نیتروژندار با روش اختلال ترمودینامیکی 44
3-2-3- خط سیر چند مرحله ای.. 50
3-2-4- انتگرالگیری ترمودینامیکی.. 53
3-3- کاربرد روشهای محاسبه ی اختلاف انرژی آزاد. 53
3-3-1- چرخههای ترمودینامیکی.. 53
3-3-2- محاسبهی انرژی آزاد مطلق.. 55
فصل چهارم:محاسبات انرژی آزاد گیبس برای تعویض مهمان در هیدرات گازی sI با بهره گرفتن از شبیهسازی دینامیک مولکولی
4-1- روش انتگرالگیری ترمودینامیکی.. 58
4-3- مشخصات مولکول هیدروژن سولفید. 67
4-4- نرم افزارشبیه سازی و فایلهای ورودی در این تحقیق.. 68
4-4-1- فایلهای ورودی نرمافزار. 68
4-4-1-1- فایل ساختار اولیه ذرات (CONFIG) 69
4-4-1-2- فایل تعیین پارامترهای کنترل شبیهسازی (CONTROL) 71
4-4-1-3- تهیه فایل ورودی (FIELD) 72
4-4-2- فایلهای خروجی نرم افزار. 73
4-4-2-1- فایل ساختار نهایی ذرات (REVCON) 74
4-4-2-2- فایل خروجی اصلی شبیهسازی (OUTPUT) 74
4-4-2-3- فایل اطلاعات روند شبیهسازی به زبان ماشین (REVIVE) 74
4-5- محاسبه ی انرژی آزاد جانشینی های مختلف هیدروژن سولفید به جای متان در هیدراتهای گازی sI 75
4-6- محاسبهی خواص ساختاری و ترمودینامیکی.. 83
4-6-2- بررسی وابستگی حجم سلول واحد به دما 92
4-6-3- بررسی ضریب انبساط گرمایی خطی.. 97
4-6-4- بررسی ضریب تراکمپذیری هم دما 105
فهرست شکل ها
عنوان صفحه
شکل (1- 1) رشد مقالههای مربوط به هیدراتهای گازی در قرن بیستم. 4
شکل (1- 3) سلول واحد (الف) ساختار sI ، (ب) ساختار sII، و (ج) ساختار sH.. 5
شکل (1- 4) شکل حفره ها در ساختار sI 6
شکل (1- 5) شکل حفره ها در ساختار sII 6
شکل (1- 6) شکل حفره ها درساختار sH.. 7
شکل (1- 7) توزیع کربن آلی در منابع زمین ) بجز در صخره ها( برحسب گیگا تن. 10
شکل (1- 8) منابع پیش بینی شده و کشف شده ی هیدراتهای گازی در کره ی زمین. 10
شکل 2- 1- شرایط مرزی دورهای. 24
شکل 3- 1 – فرمول ساختاری هشت لیگاندی که در محاسبات مورد استفاده قرار گرفت.. 48
شکل 3- 2- چرخه ترمودینامیکی برای اتصال لیگاندهای L1و L2 به گیرنده R. 54
شکل 3- 3- یک چرخهی ترمودینامیکی برای اجتماع L و R و تشکیل یک کمپلکس LR در دو فاز گازی و محلول 55
شکل (4- 1) نسبت برای مقدارهای مختلف برای جانشینی در هیدارت گازی 60
شکل (4- 2)وابستگی برحسب σ و (a) ثابت در Ǻ 5/5. 62
شکل (4- 3) وابستگی بر حسب σ و (b) ثابت در kJ/mol 930/2. 63
شکل (4- 4) وابستگی و بر حسب . 63
شکل (4- 5) مدل سه جایگاهی SPC/E (سمت راست) و چهار جایگاهی TIP4P (سمت چپ) مولکول آب 69
شکل (4- 6) پیدا کردن موقعیت سه جایگاه مدلTIP4P از مختصات اولیه اتم های مدل SPC/E. 70
شکل (4- 7) قسمتی از فایل CONFIG هیدرات گازی sIمدل TIP4P آب.. 71
شکل (4- 8) فایل CONTROL هیدرات گازی sI در دمای K100. 72
شکل 4- 13- نمودار برحسب ،در واکنش جانشینی شش مولکول مهمان هیدروژن سولفید به جای شش مولکول متان در قفس بزرگ هیدرات گازی sI در دمای 50، 70 و 100 کلوین. 81
شکل 4- 16- نمودار توزیع اتم ها در اطراف یک اتم. 84
شکل 4- 17- نمودار RDF برحسب r برای یک مایع. 84
شکل 4- 28- نمودار حجم جعبه شبیه سازی بر حسب دما برای هیدرات گازی sI متان با مدل آب SPC/E 93
شکل 4- 29- نمودار حجم جعبه شبیه سازی بر حسب دما برای هیدرات گازی sI متان با مدل آب TIP4P 93
شکل 4- 30- نمودار حجم جعبه شبیه سازی برحسب دما برای سامانه هیدرات گازی sI هیدروژن سولفید 94
شکل 4- 31- نمودار حجم جعبه شبیه سازی برحسب دما برای سامانه هیدرات [6L-CH4,2S-H2S] 94
شکل 4- 32- نمودار حجم جعبه شبیه سازی برحسب دما برای سامانه هیدرات [6L-H2S,2S-CH4] 95
شکل 4- 33- نمودار حجم جعبه شبیه سازی برحسب دما برای سامانه هیدرات [1L-H2S,5L-CH4,2S-H2S] 95
شکل 4- 34- نمودار حجم جعبه شبیه سازی برحسب دما برای سامانه هیدرات [2L-H2S,4L-CH4,2S-H2S] 96
شکل 4- 35- نمودار حجم جعبه شبیهسازی بر حسب دما برای سامانه هیدرات [3L-H2S,3L-CH4,2S-H2S] 96
شکل 4- 36- نمودار حجم جعبه شبیه سازی برحسب دما برای سامانه هیدرات [4L-H2S,2L-CH4,2S-H2S] 97
شکل 4- 37- محاسبه وابستگی دمایی بردار شبکه برای هیدرات گازی sI متان با مدل SPC/E آب در فشار 1 بار 98
شکل 4- 38- محاسبه وابستگی دمایی بردار شبکه برای هیدرات گازی sI ، با مدل TIP4P آب در فشار 1 بار 99
شکل 4- 43- پارامتر شبکه برای دماهای مختلف برای هیدرات گازی sI متان با مدل SPC/Eآب 103
شکل 4- 44- پارامتر شبکه برای دماهای مختلف برای هیدارت گازی sI متان با مدل TIP4Pآب.. 104
شکل 4- 45- نمودار فشاربرحسب حجم سلول واحد برای هیدرات گازی sI متان در دمای K 200 105
شکل 4- 46- نمودار فشار برحسب حجم سلول واحد برای هیدرات گازی sI هیدروژن سولفید در دمای K 100 106
فهرست جداول
عنوان صفحه
جدول (3- 1) تفاوتهای انرژی آزاد محاسبه شده. 45
جدول (3- 3) انرژی آزاد اتصال برای کمپلکس های گالکتین-1/دیساکارید مختلف… 53
جدول (4- 1) انرژی آزاد گیبس جانشینی برای هر مهمان بر حسب kJ/mol در هیدارت گازی sI در دمای200 273 کلوین. 61
جدول(4- 2) مقدارهای ??? ∆ بر حسب برای جانشینی همه مهمانها در همهی قفسهای هیدرات گازی sI 61
جدول (4- 3) داده های انتگرال گیری ترمودینامیکی برای مدل SPC/E آب در دمایK 270 و فشار MPa 5 65
جدول (4- 4) داده های انتگرال گیری ترمودینامیکی برای مدل TIP5P آب در دمای K 270 و فشار MPa 5 66
جدول (4- 5)مشخصات و پارامترهای مدلهایSPC/E و TIP4P. 69
جدول (4- 6) پارامترهای لناردجونز و بارهای اتمی جزئی برای مولکول سولفیدهیدروژن. 73
جدول (4- 7)پارامترهای لناردجونز و بارهای اتمی جزئی برای مولکول متان. 73
جدول (4- 9) ضریب معادله (4-19) برای هیدرات گازی دوتایی sI.(CH4+H2S) 102
جدول (4- 12) ضرایب معادله (4-19) برای هیدرات گازی sI متان با مولکول آبTIP4P, SPC/E. 104
جدول (4- 13) ضریب انبساط گرمایی خطی (K-1) –برای هیدرات گازی sI متان با مولکول آب TIP4P, SPC/E 104
جدول (4- 14) ضرایب معادله (4-19) برای هیدرات های مختلف sI با مدل TIP4P آب.. 107
جدول (4- 15) ضرایب تراکم پذیری هم دما ( ) برای هیدرات sI متان با مدل TIP4P آب در دمای K200 107
چکیده
هیدرات های گازی دسته ای از ترکیبات میزبان جامد هستند که نقش مهمی درفرایندهای متعددی همچون ذخیره، انتقال و جداسازی گاز، کاتالیزهای ناهمگن و تصفیه آب دارند. این بلورها در دمای بالاتر از نقطه انجماد آب و فشار بالا تشکیل می شود. برای محاسبه اختلاف انرژی آزاد روشهای مختلفی وجود دارد: 1) اختلال 2) تدریجی 3) انتگرالگیری ترمودینامیکی، در این تحقیق، از روش انتگرالگیری ترمودینامیکی برای محاسبه اختلاف انرژی آزاد فرایندهای مختلف جانشینی مهمان هیدروژن سولفید به جای مهمان متان در قفسهای بزرگ و کوچک هیدرات گازی sI به کار میرود. در محاسبه اختلاف انرژی آزاد با بهره گرفتن از روش انتگرالگیری ترمودینامیکی برای این فرایندها، سهم جداگانه واندروالس و الکتروستاتیک محاسبه شده است. همچنین خواص ساختاری که شامل تابع توزیع شعاعی، وابستگی دمایی حجم، ضریب انبساط گرمایی خطی و ضریب تراکمپذیری همدما، هیدرات گازی sI متان و هیدرات گازی مختلف دوتایی sI (متان + هیدروژن سولفید) بررسی شده است.
فصل اول
هیدرات گازی
1-1- هیدرات گازی
هیدرات گازی[1]، یک جامد بلوری است که در آن، مولکولهای گاز توسط مولکولهای آب احاطه شده اند. گازهای زیادی هستند که ساختار مناسبی برای تشکیل هیدرات دارند که میتوان به کربندیاکسید، هیدروژنسولفید و هیدروکربنها با تعداد کم کربن اشاره نمود. بیش از 70 سال است که هیدراتهای گازی بهعنوان یک مشکل در خطوط انتقال گاز مطرح گردیدهاند. لذا اکثر تحقیقات اولیه در این زمینه مربوط به شرایط عملیاتی تشکیل هیدرات و تأثیر استفاده از مواد بازدارنده در جلوگیری از تشکیل آن میباشد. امروزه توجه به پدیده هیدرات گازی و جنبه های مفید و کاربردی آن، لزوم انجام تحقیق بیشتر در این زمینه را نشان میدهد. از چند دهه پیش تاکنون وجود مقادیر بسیار زیادی از گاز طبیعی ذخیره در هیدراتهای گازی موجود در بستر اقیانوسها و مناطق قطبی به اثبات رسیده است. تخمین زده می شود که هر متر مکعب هیدرات بیشتر از 170 متر مکعب گاز متان در شرایط استاندارد دارد[1].
باتوجه به منابع محدود سوختهای فسیلی، اکتشاف منابع هیدرات گازی به منظور تأمین انرژی، ممکن است در آینده مورد توجه قرار بگیرد. قابلیت زیاد هیدرات گازی در ذخیرهسازی گاز طبیعی، باعث ایجاد جذابیت در خصوص استفاده از آن برای مقاصد ذخیرهسازی و حمل ونقل گاز طبیعی و دیگر گازها بهعنوان رقیبی برای روشهای مایعسازی و متراکمکردن می شود. از هیدراتهای گازی در فرایندهای جداسازی نیز میتوان استفاده کرد. هیدراتهای گازی فقط با تعداد محدودی از مواد قابل تشکیل هستند. اگر قصد داشته باشیم که یک ماده را از یک مخلوط جدا کنیم می توان از قابلیت تشکیل یا عدم تشکیل هیدرات آن و یا سایر مواد موجود در مخلوط نمک کمک گرفت. بهعنوان مثال، میتوان به تهیه آب آشامیدنی و یا جداسازی جریانهای گاز اشاره کرد. متأسفانه، در مورد ذخایر طبیعی هیدراتهای گازی نگرانیهایی در خصوص پایداری آنها در هنگام تغییر شرایط فشار و دما وجود دارد. به عقیدهی برخی از محققین وقتی که در اثر پدیده گلخانهای دمای کرهی زمین افزایش مییابد، ممکن است که هیدرا تها ناپایدار و تجزیه شوند و در نتیجه مقادیر زیادی گاز وارد اتمسفر شده و باعث تشدید اثر پدیده گلخانهای شود.
از شرایط لازم برای تشکیل هیدرات میتوان به دمای مناسب، فشار، وجود مولکولهای آب و وجود مولکولهای گاز اشاره کرد.
در هیدراتهای گازی، مولکولهای آب بهعنوان میزبان عمل کرده و مولکولهای گاز را در داخل حفرهی خود جای میدهند. همهی مولکولهای گازی قادر به تشکیل هیدرات نیستند و تنها مولکولهایی قادر به ایجاد هیدرات هستند که غیرقطبی بوده یا قطبیت کمی داشته باشند و از نظر اندازه کوچک بوده و در این حفرهها بتوانند قرار بگیرند.
تعداد صفحه : 141
قیمت :14700 تومان
بلافاصله پس از پرداخت لینک دانلود فایل در اختیار شما قرار می گیرد
و در ضمن فایل خریداری شده به ایمیل شما ارسال می شود.
پشتیبانی سایت : * serderehi@gmail.com
در صورتی که مشکلی با پرداخت آنلاین دارید می توانید مبلغ مورد نظر برای هر فایل را کارت به کارت کرده و فایل درخواستی و اطلاعات واریز را به ایمیل ما ارسال کنید تا فایل را از طریق ایمیل دریافت کنید.
14,700 تومانافزودن به سبد خرید