關鍵詞：

化工單元操作與相平衡有著密不可分的聯系，相平衡現象一直是化工工程師以及廣大科研工作者們研究的熱門課題。相平衡數據是化工過程設計、操作以及優化必不可缺的基礎數據，可以為工程設計和單元操作提供理論指導。目前獲得相平衡數據有實驗法、相平衡計算和分子模擬三種。實驗法雖然直觀可靠，但需要大量的人力和時間，且受到高溫高壓、物質毒性等苛刻條件的限制。相平衡計算的主要目標是預測混合物在不同溫度壓力下的氣-液相組成，傳統上是使用半經驗的熱力學狀態方程（EOS）和/或液體活度系數法實現的。該方法依附于實驗數據，對于偏離實驗條件較遠的體系，數據難以計算準確，常常由于錯誤的熱力學數據造成工業設計的失敗。這些方法需要純組分和混合物的蒸氣壓數據作為輸入信息，且理論中出現的參數混合規則一般要通過混合物的實驗數據得到，使用時同樣受到實驗的限制。以統計熱力學理論為基礎的分子模擬方法省時省力，環保經濟，不受苛刻條件的限制，其輸入信息為分子間勢能模型，即用于描述分子間相互作用的分子力場。分子模擬方法可以根據分子力場直接從微觀狀態分布出發，對純物質及混合物體系通過模擬計算來求解相平衡數據。目前，用分子模擬方法預測流體相平衡成為研究相平衡領域的強有力手段。

圖1 GEMC原理圖

Panagiotopoulos 等 人提出的 Gibbs 系綜 Monte Carlo 方法（Gibbs ensemble Monte Carlo，GEMC）是近十幾年發展起來的應用最為廣泛的計算流體相平衡的方法，也是目前模擬相平衡的主流方法之一。GEMC 方法可同時在兩個彼此相對獨立但在熱力學上相關的盒子中進行 MC 模擬，模擬時需要滿足相平衡條件（壓力、溫度和化學勢相等），且模擬過程中溫度 T、總體積 V 和兩個盒子中的總粒子數 N 保持不變。GEMC原理如圖 1 所示，模擬過程中需要進行 3 種不同的MC 移動：粒子移動（包括平動、轉動等）、體積的漲落（盒子體積變化）、盒子間粒子交換。

在GPU Optimized Monte Carlo（GOMC）中采用GEMC進行氣液相平衡模擬計算時，將完成單個溫度點下異丁烷飽和氣液共存曲線的模擬。運行模擬的總體流程如下：

1）創建腳本、PDB和拓撲文件以構建模擬系統，以及in.dat文件和參數文件為運行時做準備；

2）構建異丁烷的PDB文件，描述異丁烷殘基的拓撲文件；

3）進行GEMC模擬，得到穩定液相盒子與氣相盒子，如圖2和圖3所示；

4）分析氣相密度與液相密度，改變模擬溫度并重復計算，得到一系列溫度下的氣液相平衡數據，并與NIST數據進行對比，如圖4所示。

更換模擬物質即可模擬目標物質的氣液相平衡，例如目前化工中的乙酸等。此外，GOMC可用于研究汽-液和液-液平衡、多孔材料中的吸附、表面活性劑的自組裝以及復雜分子的凝聚相結構。

最后，有相關需求歡迎通過公眾號“320科技工作室”與我們聯絡。