CN102446235A - 一种利用计算机模拟计算化学组分间相互作用参数的方法 - Google Patents

一种利用计算机模拟计算化学组分间相互作用参数的方法 Download PDF

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代振宇
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Abstract

本发明提供了一种利用计算机模拟计算化学组分间相互作用参数的方法，该方法包括：(1)利用MS软件的Visualizer模块画出待模拟的两种组分的分子式；(2)利用MS软件的Discover模块中的Minimize进行能量最小化处理；(3)利用MS软件的Focite模块进行结构优化；(4)利用MS软件的Discover模块进行分子动力学结构优化，并利用Discover模块中的analysis进行分析，寻找能量最低的构象；(5)利用MS软件的Blends模块进行Blends计算，得到表格文件；以及(6)利用MS软件的Blends模块中的analysis对所述表格文件进行分析计算，得到所述两种组分在不同温度范围下的相互作用参数。该方法测定范围广，重油组分中任意两种组分间的相互作用参数均可计算，节省了大量的实验成本和人工成本。

Description

一种利用计算机模拟计算化学组分间相互作用参数的方法
技术领域
本发明涉及化学组分相容性的领域，涉及一种利用计算机模拟计算化学组分间相互作用参数的方法。
背景技术
在重油加工研究中，重油中化学组分间的相容性是经常用到的。判定两种或多种化学组分能否相容，常用的方法是做实验或者查阅化学手册。然而，由于重油的组分繁多，组分的结构相当复杂，大多数组分通过查阅化学手册是查不到的，而且多数化学组分在市场上是没有的，不能够通过实验来完成。
不仅如此，由于组分间的相容性与温度有着重要的关系，因此，通过实验得到组分在不同温度下的相容性，其实验工作量巨大。
发明内容
为克服现有技术中某些化学组分之间的相容性无法通过实验获得以及在通过实验得到组分在不同温度下的相容性时实验工作量巨大的缺陷，本发明特提供一种利用计算机模拟计算化学组分间相互作用参数的方法。
本发明提供的利用计算机模拟计算化学组分间相互作用参数的方法包括：(1)利用MS软件的Visualizer模块画出待模拟的两种组分的分子式，得到分别与所述两种组分相对应的两个结构数据文件；(2)利用MS软件的Discover模块中的Minimize分别对所述两个结构数据文件进行能量最小化处理，得到两个能量最小化的结构数据文件；(3)利用MS软件的Forcite模块分别对所述两个能量最小化的结构数据文件进行结构优化，得到两个优化后的结构数据文件；(4)利用MS软件的Discover模块分别对所述两个优化后的结构数据文件进行分子动力学结构优化，并利用Discover模块中的analysis分别对优化得到轨迹文件进行分析，寻找能量最低的构象；(5)利用MS软件的Blends模块分别对所寻找的能量最低的构象进行Blends计算，得到表格文件；以及(6)利用MS软件的Blends模块中的analysis对所述表格文件进行分析计算，得到所述两种组分在不同温度范围下的相互作用参数。
由于化学组分间的相互作用参数是判定组分间能否相容的标准，因此通过本发明的利用计算机模拟计算化学组分间相互作用参数的方法，可获得化学组分间相互作用参数，从而可判定该化学组分间的相容性。利用本发明所述的方法进行重油组分间相互作用参数的计算与传统的实验方法相比具有明显的优越性：
(1)测定范围广，重油组分中任意两种组分间的相互作用参数均可计算，无论其结构如何复杂，只要有这种物质存在，就可以计算，解决了实验中无法完成的难题。而且，这一方法还可以推广到重油之外的任何物质间的相互作用参数的计算。
(2)实验材料容易制备，只要存在这种结构，就可以通过计算机得到它的构型，避免了在实验上找不到实验原料的问题。
(3)计算迅速，且操作简单，几小时的时间就可以算出结果，减少了繁重的实验工作量。
(4)设备要求低，在普通的PC机上即可进行计算，不需要进行购买大量的实验设备，节省了大量的实验成本。
附图说明
图1是本发明提供的利用计算机模拟计算化学组分间相互作用参数的方法的流程图；
图2是利用本发明第一实施例的相互作用曲线图；以及
图3是利用本发明第二实施例的相互作用曲线图；
具体实施方式
为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显，下文将配合所附图示，作详细说明如下。
图1是本发明提供的利用计算机模拟计算化学组分间相互作用参数的方法的流程图。如图1所示，本发明提供了一种利用计算机模拟计算化学组分间相互作用参数的方法，该方法包括：(1)利用MS软件的Visualizer模块画出待模拟的两种组分的分子式，得到分别与所述两种组分相对应的两个结构数据文件；(2)利用MS软件的Discover模块中的Minimize分别对所述两个结构数据文件进行能量最小化处理，得到两个能量最小化的结构数据文件；(3)利用MS软件的Forcite模块分别对所述两个能量最小化的结构数据文件进行结构优化，得到两个优化后的结构数据文件；(4)利用MS软件的Discover模块分别对所述两个优化后的结构数据文件进行分子动力学结构优化，并利用Discover模块中的analysis分别对优化得到轨迹文件进行分析，寻找能量最低的构象；(5)利用MS软件的Blends模块分别对所寻找的能量最低的构象进行Blends计算，得到表格文件；以及(6)利用MS软件的Blends模块中的analysis对所述表格文件进行分析计算，得到所述两种组分在不同温度范围下的相互作用参数。
其中，所述MS(Materials Studio)软件为美国Accelrys公司研发，由创腾科技有限公司(http://www.neotrident.com)代理的一种模拟软件。MS是专门为材料科学领域研究者开发的一款可运行在PC上的模拟软件。它可以帮助你解决当今化学、材料工业中的一系列重要问题。支持Windows 98、2000、NT、Unix以及Linux等多种操作平台的Materials Studio使化学及材料科学的研究者们能更方便地建立三维结构模型，并对各种晶体、无定型以及高分子材料的性质及相关过程进行深入的研究。在此所采用的MS软件的软件版本为4.4，然而本发明并不限于此，任何版本具有本申请所用到的模块及处理的MS软件皆可适用。
其中，在所述步骤(2)中对所述两个结构数据文件进行能量最小化处理时，可选用Smart Minimize方法、Compass力场以及1飞秒的时间步长。然而，本发明并不限于此，可根据所研究的物质体系进行其他选择。诸如，对于高分子材料而言，可选用Steepest Descent方法、PCFF力场以及0.5飞秒的时间步长。
其中，在所述步骤(3)中对所述两个能量最小化的结构数据文件进行结构优化时，可选用选用Smart方法以及Dreiding力场。然而，本发明并不限于此，可根据所研究的物质体系进行其他选择。诸如，对于分子筛等无机材料而言，可选用Conjugate gradient方法以及universal力场。
其中，在所述步骤(4)中对所述两个优化后的结构数据文件进行分子动力学结构优化时，选用NVT系综、Andersen方法、Compass力场、1飞秒的时间步长以及500皮秒的总模拟时间，温度设为500K-800K，每计算500步输出一个结构。在此过程中，每一飞秒计算一次以各原子为球心，截取半径为
Figure BSA00000309114500041
的球形空间内的其它原子对该原子的范德华力。然而，该选择并非唯一的，可根据所研究的物质体系进行其他选择。诸如，对于周期性模拟条件下的高分子材料而言，可选用NPT系综、Nose方法、PCFF力场、0.5飞秒的时间步长以及1000皮秒的总模拟时间，温度设为300K-500K。
其中，对于重油分子体系而言，在所述步骤(4)中对所述两个优化后的结构数据文件进行分子动力学结构优化时，温度优选设为650K。因为在重油体系中，沥青质分子比较大，此温度下能够比较容易的越过能垒。
其中，在所述步骤(5)中对所寻找的能量最低的构象进行Blends计算时，运算精度采用Ultra fine的运算精度，每一簇的相互作用次数设为200-2000，设定温度为298K，力场选用Dreiding力场，电荷选用Charge usingQEq，能量计算精度采用Ultra fine，静电力和范得华力均采用Atom based。然而，本发明并不限于此，可根据所研究的物质体系进行其他选择。诸如，对于高分子体系而言，可选用PCFF力场。
其中，对于重油分子体系而言，在所述步骤(5)中对所寻找的能量最低的构象进行Blends计算时，每一簇的相互作用次数优选设为500。由于重油分子体系比较大，如果相互作用次数较小，不能反映其真实的能量作用，而太高的相互作用次数计算量会非常大，而500正好满足要求。
其中，在所述步骤(6)利用MS软件的Blends模块中的analysis对所述表格文件进行分析计算时，分析内容选择Chi parameter，温度范围可根据需要进行选择，之后可得到所述两种组分在所选温度范围下的相互作用参数的曲线图。
下面给出通过本发明的利用计算机模拟计算化学组分间相互作用参数的方法而进行化学组分间相互作用参数计算的两种实施例。
实施例一
(1)利用MS软件的Visualizer模块画出一个沥青质分子和一个胶质分子的分子式，分别作为基本的结构数据文件asphaltene和resin。
(2)利用MS软件的Discover模块中的Minimize分别对所述结构数据文件asphaltene和resin进行能量最小化处理，此时选用Smart Minimize方法、Compass力场以及1飞秒的时间步长，得到两个能量最小化的结构数据文件asphaltene1和resin1。
(3)利用MS软件的Focite模块分别对所述结构数据文件asphaltene1和resin1进行结构优化，此时选用Smart方法以及Dreiding力场，得到两个优化后的结构数据文件asphaltene2和resin2。
(4)利用MS软件的Discover模块分别对所述两个优化后的结构数据文件asphaltene2和resin2进行分子动力学结构优化，此时选用NVT系综、Andersen方法、Compass力场、1飞秒的时间步长以及500皮秒的总模拟时间，温度设为650K，每计算500步输出一个结构；并在之后利用Discover模块中的analysis分别对优化得到轨迹文件进行分析，寻找能量最低的构象，记为数据结构文件asphaltene3和resin3。
(5)利用MS软件的Blends模块分别所述数据结构文件asphaltene3和resin3进行Blends计算，此时运算精度采用Ultra fine的运算精度，每一簇的相互作用次数设为500，设定温度为298K，力场选用Dreiding力场，电荷选用harge using QEq，能量计算精度采用Ultra fine，静电力和范得华力均采用Atom based，从而得到表格文件Table.std，该文件内含有298K时的沥青质分子与胶质分子的相互作用参数；以及
(6)利用MS软件的Blends模块中的analysis对所述表格文件Table.std进行分析计算，此时分析内容选择Chi parameter，温度范围选择300K-700K，得到沥青质分子与胶质分子在温度范围300K-700K下的相互作用参数的曲线图，如图2所示。
实施例二
(1)利用MS软件的Visualizer模块画出一个沥青质分子和一个C7烷烃分子的分子式，分别作为基本的结构数据文件asphaltene和alkyl。
(2)利用MS软件的Discover模块中的Minimize分别对所述结构数据文件asphaltene和alkyl进行能量最小化处理，此时选用Smart Minimize方法、Compass力场以及1飞秒的时间步长，得到两个能量最小化的结构数据文件asphaltene1和alkyl1。
(3)利用MS软件的Focite模块分别对所述结构数据文件asphaltene1和alkyl1进行结构优化，此时选用Smart方法以及Dreiding力场，得到两个优化后的结构数据文件asphaltene2和alkyl2。
(4)利用MS软件的Discover模块分别对所述两个优化后的结构数据文件asphaltene2和alkyl2进行分子动力学结构优化，此时选用NVT系综、Andersen方法、Compass力场、1飞秒的时间步长以及500皮秒的总模拟时间，温度设为500K，每计算500步输出一个结构；并在之后利用Discover模块中的analysis分别对优化得到轨迹文件进行分析，寻找能量最低的构象，记为数据结构文件asphaltene3和alkyl3。
(5)利用MS软件的Blends模块分别所述数据结构文件asphaltene3和alkyl3进行Blends计算，此时运算精度采用Ultra fine的运算精度，每一簇的相互作用次数设为200，设定温度为298K，力场选用Dreiding力场，电荷选用harge using QEq，能量计算精度采用Ultra fine，静电力和范得华力均采用Atom based，从而得到表格文件Table.std，该文件内含有298K时的沥青质分子与C7烷烃分子的相互作用参数；以及
(6)利用MS软件的Blends模块中的analysis对所述表格文件Table.std进行分析计算，此时分析内容选择Chi parameter，温度范围选择500K-700K，得到沥青质分子与胶质分子在温度范围500K-700K下的相互作用参数的曲线图，如图3所示。
本发明提供的利用计算机模拟计算化学组分间相互作用参数的方法可以方便地给出不同温度下的相互作用参数，不但节省了大量的实验经费，更省去了大量的实验人工成本，同时也加快了实验进度。另外，该方法在科学研究、重油加工及其它涉及混合物相容、分离等方面具有重要的应用前景。不但在理论上具有重要的指导意义，在实际生产过程中也会起到重要的指导作用，应用前景广泛。
虽然本发明已通过上述实施例所公开，然而上述实施例并非用以限定本发明，任何本发明所属技术领域中技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，应当可以作各种的变动与修改。因此本发明的保护范围应当以所附权利要求书所界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种利用计算机模拟计算化学组分间相互作用参数的方法，该方法包括：
1)利用MS软件的Visualizer模块画出待模拟的两种组分的分子式，得到分别与所述两种组分相对应的两个结构数据文件；
2)利用MS软件的Discover模块中的Minimize分别对所述两个结构数据文件进行能量最小化处理，得到两个能量最小化的结构数据文件；
3)利用MS软件的Forcite模块分别对所述两个能量最小化的结构数据文件进行结构优化，得到两个优化后的结构数据文件；
4)利用MS软件的Discover模块分别对所述两个优化后的结构数据文件进行分子动力学结构优化，并利用Discover模块中的analysis分别对优化得到的轨迹文件进行分析，寻找能量最低的构象；
5)利用MS软件的Blends模块分别对所寻找的能量最低的构象进行Blends计算，得到表格文件；以及
6)利用MS软件的Blends模块中的analysis对所述表格文件进行分析计算，得到所述两种组分在不同温度范围下的相互作用参数。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述步骤2)中对所述两个结构数据文件进行能量最小化处理时，选用Smart Minimize方法、Compass力场以及1飞秒的时间步长。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述步骤3)中对所述两个能量最小化的结构数据文件进行结构优化时，选用Smart方法以及Dreiding力场。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述步骤4)中对所述两个优化后的结构数据文件进行分子动力学结构优化时，选用NVT系综、Andersen方法、Compass力场、1飞秒的时间步长以及500皮秒的总模拟时间，温度设为500K-800K，每计算500步输出一个结构。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，对于重油分子体系而言，在所述步骤4)中对所述两个优化后的结构数据文件进行分子动力学结构优化时，温度设为650K。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述步骤5)中对所寻找的能量最低的构象进行Blends计算时，运算精度采用Ultra fine的运算精度，每一簇的相互作用次数设为200-2000，设定温度为298K，力场选用Dreiding力场，电荷选用Charge using QEq，能量计算精度采用Ultra fine，静电力和范得华力均采用Atom based。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，对于重油分子体系而言，在所述步骤5)中对所寻找的能量最低的构象进行Blends计算时，每一簇的相互作用次数设为500。
8.根据权利要求1-7中任一权利要求所述的方法，其中，所述MS软件的版本为4.4。
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