含氧添加剂对柴油及乙烯热裂解过程影响的ReaxFF分子动力学模拟研究
在能源和环境问题日益严重的今天，含氧添加剂由于能够有效地减少柴油等化石燃料燃烧/热裂解过程中的碳烟排放而受到广泛的关注，深入了解其中的反应机理特别是热裂解机理和作用规律对于认识和发展清洁燃料和燃油添加剂有着重要的作用。计算化学方法，特别是反应力场(ReaxFF)分子动力学(molecular dynamics，MD)模拟的出现，可以帮助在原子的尺度认识和了解燃烧过程，对于探索燃料分子之间的相互作用以及碳烟的演化生长规律有着极大的帮助，ReaxFF广泛的适用性和逐渐提升的精度使得其在燃料燃烧/热裂解和碳烟演化领域极具应用前景。因此，本文利用ReaxFF分子动力学模拟研究了含氧添加剂对柴油及乙烯热裂解过程的影响。具体的工作内容如下: (1)采用分子动力学模拟和反应力场ReaxFF相结合的方法，研究了聚甲氧基二甲醚(PODE3)的初始热裂解机理，模拟结果表明，PODE3的初始热裂解过程是从C-O键的解离开始的，并向四个方向进行。C-O键的键解离能对初始反应选择性产生影响，随后产物热裂解形成反应网络，其末端为CH2O、CH3O·、·CH3和H·。计算得到PODE3在2100K～2700K的活化能为45.5kcal/mol，指前因子为1.14×1015。 (2)在对PODE3的热裂解机理有所了解的基础上，研究了其对柴油中四种代表性的组分十六烷、环戊烷、苯和萘热裂解的影响。从不同组分的角度对含氧添加剂的效果进行分析，结果发现，在模拟的初始阶段，PODE3的快速热裂解营造了富自由基的环境，促进了链烷烃的热裂解和环烃的开环反应。随后，单环分子热裂解成小分子碎片，萘则形成单环芳烃。说明PODE3可以通过抑制苯环的形成来减缓碳烟的生成，但是对于已经存在的多环芳烃反而会促进分子链的延长，说明含氧添加剂加入后对于碳烟的演化既包含促进作用，也存在抑制作用，两者共同影响碳烟的演化过程。 (3)通过对不同温度作用下乙烯热裂解的模拟，发现3200K的高温下可以在1ns的模拟时间内生成网状的碳烟核心，通过可视化软件对MD的轨迹进行追踪，探索了模拟过程中碳烟的演化机制，并通过添加不同浓度的乙醇对含氧添加剂在低浓度下对碳烟的促进作用和高浓度下逐步提升的碳烟抑制作用进行了验证，结果发现ReaxFF-MD模拟可以很好地再现这一过程，并展现出了不同的含氧添加剂的浓度对碳烟成核形貌的影响。
柴油;乙烯;热裂解过程;含氧添加剂;ReaxFF分子动力学模拟
北京化工大学
硕士
化学工程与技术
阳庆元
2021
中文
TQ038.1
2021-09-24（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）