分离过程溶剂的计算机辅助分子设计

论文摘要

本文对分离过程溶剂的计算机辅助分子设计进行了详尽的研究,提出了新的分子设计方法:分类枚举法;新的分离过程溶剂评价策略:综合评价策略,并将分类枚举法推广应用于加热介质和制冷剂的计算机辅助分子设计,取得了良好的效果。在分类枚举法中,我们先将分子设计涉及的所有基团分成两类:骨架基团和功能基团,前者是那些能够构成烷烃,环烷烃和芳香烃的基团;后者为除去前者后剩余的其它基团。然后在一定基团总数的约束下用枚举法列举全部可能的骨架基团组合,产生所有的烷烃,环烷烃,芳香烃分子;接着用功能基团代替上述烃类分子中相应的骨架基团,产生其它分子;最后用基团贡献法计算得到的所有分子的性质,从而得到满足要求的溶剂分子。由于工业成本的约束,溶剂分子中功能基团的种类不会超过三种,因此分类枚举法可以避免组合爆炸问题。另外,由于单纯依靠八角规则生成分子会出现形如CH3CO(OOCCH3)这类的不合理组合,因此有必要对八角规则进行修正。考虑到基团上自由价键的不同性质,将它们分成两类,一类是碳原子上的自由价键,为不受限价键;一类是其它原子上的自由价键,为受限价键。因为不受限价键能和任意自由价键连接,而受限价键只能和不受限价键连接,所以对于链状分子,只要在原始八角规则的基础上引入不受限价键总数应不小于受限价键总数的限制就能保证价键的匹配,消除不合理的组合;对于含有环状结构的分子,可以把整个环结构看成一个基团,将分子化为链状来处理。由于分类枚举法通常能够找到多种满足要求的分离过程溶剂,因此有必要提出一种方法来对它们进行评价。为此,我们提出了综合评价策略。在综合评价策略中,首先按照含有功能基团的种类数目将溶剂分为主要溶剂和次要溶剂,主要溶剂是那些含有不多于一种功能基团的溶剂,制造成本相对低廉,工业应用潜力大,应该重点考虑;其余的溶剂为次要溶剂,价格相对昂贵,工业应用有一定的限制,只能作为主要溶剂的补充。将溶剂分类后,我们引入多目标决策理论来评价每种溶剂的分离性能,筛选有工业应用前景的溶剂。在此过程中,利用转换函数消除了表征分离性能的各个因素数量级上的巨大差别,取得了理想的效果。最后,我们将分类枚举法推广应用在加热介质和制冷剂的计算机辅助分子设计中,也同样获得了成功,这说明了分类枚举法作为一种建立在基团贡献法基础上的分子设计方法,有着强大的生命力。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 前言
• 1.2 分子设计中常用的基团贡献法
• 1.2.1 原始UNIFAC法
• 1.2.2 修正的UNIFAC法
• 1.2.3 Joback法
• 1.2.4 Gani多步估算法
• 1.3 计算辅助分子设计的主要方法
• 1.3.1 基于知识的方法
• 1.3.2 混合整数非线性规划
• 1.3.3 模拟退火算法
• 1.3.4 遗传算法
• 1.3.5 枚举法
• 1.3.6 组合论方法
• 1.3.7 图论方法
• 1.3.8 分子水平的计算机辅助分子设计
• 1.4 小结
• 第二章 分类枚举法
• 2.1 分离过程溶剂分子设计的约束
• 2.2 分离过程溶剂分子设计的新算法－分类枚举法
• 2.3 分类枚举法中参数的确定
• 2.4 小结
• 第三章 分离过程溶剂的评价
• 3.1 其它分子设计方法中的溶剂评价策略
• 3.2 多目标优化理论
• 3.2.1 多目标优化问题的表述
• 3.2.2 传统多目标优化方法
• 3.2.2.1 加权平均法
• 3.2.2.2 目标规划法－理想点法
• 3.2.2.3 主要目标法
• 3.2.2.4 分层序列法
• 3.2 分离过程溶剂的综合评价法
• 3.3 权重向量的确定
• 3.4 小结
• 第四章 计算实例
• 4.1 萃取溶剂的计算机辅助分子设计实例
• 4.1.1 乙酸－水体系萃取溶剂的分子设计
• 4.1.2 正丁醇－水体系萃取溶剂的分子设计
• 4.1.3 苯酚－水体系萃取溶剂的分子设计
• 4.1.4 糠醛－水体系萃取溶剂的分子设计
• 4.2 萃取精馏溶剂的计算机辅助分子设计实例
• 4.2.1 苯－环己烷体系萃取精馏溶剂的分子设计
• 4.2.2 乙醇－乙酸乙酯体系萃取精馏溶剂的分子设计
• 4.2.3 甲醇－丙酮体系萃取精馏溶剂的分子设计
• 4.2.4 甲醇－乙酸甲酯体系萃取精馏溶剂的分子设计
• 4.3 结果分析与讨论
• 第五章 实验
• 5.1 实验目的及方法
• 5.1.1 平衡釜法
• 5.1.2 色谱法
• 5.1.2.1 保留时间法
• 5.1.2.2 惰性气体气提法
• 5.1.2.3 液上空间气相色谱法
• 5.1.3 沸点计法
• 5.2 实验原理
• 5.3 汽液平衡实验试剂、装置与步骤
• 5.3.1 实验试剂
• 5.3.2 汽液平衡实验装置与步骤
• 5.4 汽液相平衡样品的分析
• 5.4.1 分析实验设备
• 5.4.2 分析实验步骤
• 5.4.2.1 色谱工作条件
• 5.4.2.2 校正因子的测定
• 5.4.2.3 汽液两相样品的分析
• 5.5 萃取精馏汽液平衡实验
• 5.5.1 甲醇－丙酮体系
• 5.5.2 甲醇－乙酸甲酯体系
• 5.6 结果讨论
• 第六章 分类枚举法的其它用途
• 6.1 导言
• 6.2 加热介质的计算机辅助分子设计
• 6.3 制冷剂的计算机辅助分子设计
• 6.4 小结
• 第七章 结论与展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 符号说明
• 附录
• 附录 1 分离过程溶剂分子设计的基团索引（1）
• 附录 2 对应索引（1）的Joback法基团参数
• 附录 3 修正UNIFAC法基团的面积体积参数
• 附录 4 修正UNIFAC法基团相互作用参数
• 附录 5 加热介质与制冷剂分子设计的基团索引（2）
• 附录 6 对应索引（2）的Joback法基团参数
• 附录 7 Chueh-Swanson法基团参数
• 致谢