CN109817283A - 一个适用于含离子液体体系的联合热力学模型—comso-unifac - Google Patents
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Abstract
一个适用于含离子液体体系的联合热力学模型—COMSO‑UNIFAC，属于热力学模型参数预测技术领域。该模型将基团贡献法(GCMs)和COSMO‑based模型相结合，并首次扩展到离子液体(ILs)。该模型先通过COSMO‑based模型计算出含离子液体体系的无限稀释活度系数(γ∞)，再进一步得到该体系在UNIFAC模型当中空缺的二元基团相互作用参数(见附图3)，从而使该联合模型既保持了UNIFAC原始模型方程和模型参数，也同时得到了我们参数表中所缺少的二元基团相互作用参数。因此，该联合模型结合了UNIFAC模型(精确预测)和COSMO‑based模型(先验预测)各自的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种应用于含离子液体体系的联合热力学模型,即COSMO-UNIFAC热力学模型,属于热力学模型参数预测技术领域。
背景技术
离子液体由于其独特的性质，如不挥发性、不可燃性、盐效应、热化学稳定性等，在许多化学分离过程(如气体吸收，液-液萃取，萃取精馏)中得到了广泛的应用。在这种情况下，含离子液体混合物的相平衡数据在离子液体的应用中起着重要作用。
UNIFAC模型是最成功的基团贡献模型，被广泛用于预测混合物体系的热力学相平衡数据。在过去的十年里，一些基于UNIFAC的模型已经扩展到离子液体。其中，Lei等人在2009年建立了针对离子液体(ILs)的UNIFAC模型，即UNIFAC-Lei模型。该模型已经被广泛应用于含ILs的系统相平衡的预测。随着多年的扩展，UNIFAC-Lei模型现在包含75个主基团和130个子基团。虽然部分UNIFAC-Lei模型的基团相互作用参数已通过关联实验数据得到，但空缺的模型参数仍占70％以上(见附图3)。为了填补空缺的参数，需要消耗大量的人力、物力和财力。因此，找到一个有效的方法来解决这个问题是有必要的。
另一方面，COSMO-based热力学模型，如COSMO-RS、COSMO-RS(O1)和COSMO-SAC模型，是目前比较流行的预测模型，它是直接分析溶质表面的电荷密度分布，可以不依靠实验数据，直接从统计机理来计算组分的化学位和活度系数。然而，以COSMO-based模型的计算精度通常比UNIFAC模型类的基团贡献模型(GCMs)要差。COSMO-based模型和GCMs各有其独特的优势，因此许多研究者尝试将COSMO-based模型与GCMs相结合。Mu和Gmehling提出了一个新的模型,即GC-COSMO，该模型将GCMs与COSMO-RS(O1)和COSMO-SAC模型相结合。GC-COSMO模型是通过基团贡献法来预测分子的表面电荷(σ-profiles)分布,而不是通过量子化学计算。Soares和Gerber开发了一个新的模型——功能性基团活度系数(F-SAC)模型。这个模型是基于GCMs这个模型,但能量交互参数来自COSMO-SAC模型,同时，新的参数(Qk +、Qk -和σk +)也是需要的。此外，针对反应体系，Gmehling等人还试图利用COSMO-RS(O1)计算出的模拟实验数据来填补改进的UNIFAC(Dortmund)参数表的空白参数。目前，通过这种方法获得了约300对二元相互作用参数。然而，UNIFAC的大多数参数仅UNIFAC-Consortium的成员能够获取。
本发明提出了一个联合热力学模型，即COSMO-UNIFAC模型，该模型将基团贡献法(GCMs)和COSMO-based模型相结合，并首次扩展到离子液体。这个联合模型通过COSMO-based模型先计算出适合的无限稀释活度系数(γ∞)(溶质的质量分数不超过10^-9)，再进一步得到离子液体在UNIFAC模型当中与传统物质之间空缺的二元基团相互作用参数(见附图3)，从而使该联合模型既保持了UNIFAC原始模型方程，也不改变原始的模型参数。因此，该联合模型结合了UNIFAC模型(精确预测)和COSMO-based模型(先验预测)各自的优点。
发明内容
本发明的目的在于填补目前缺失的离子液体与传统物质之间基团的相互作用参数(见附图3)，从而能够计算出分别含有以上基团的离子液体与传统物质体系的汽液相平衡数据(两种相平衡条件下的温度，压力及组成关系)，通过相平衡数据，我们就可以得到体系的有限活度系数和化学位等热力学性质。本发明提供了一种预测离子液体与传统物质之间所指定基团相互作用参数的联合热力学模型的构建方法，通过使用本发明的热力学模型构建方法，可以既准确，又省时省力地得到缺失的离子液体与传统物质之间所指定基团的相互作用参数，从而能够利用这些相互作用参数预测出溶液的有限活度系数和化学位等热力学性质，进而能够达到工业应用。
为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：
一个适用于含离子液体体系的联合热力学模型—COMSO-UNIFAC建模计算关联基团之间的相互作用参数的方法，包括以下步骤：
(1)欲得到待测离子液体A和传统物质B所指定基团之间的相互作用系数，首先利用密度泛函理论的单点算法计算离子液体A与含有传统物质基团的传统物质B结构稳定的分子构象的能量，并对稳定的分子构象进行几何优化，形成COSMO文件；
(2)采用COSMO-based热力学模型计算0-120℃温度范围内每隔2℃传统物质B在离子液体A中无限稀释(B的质量分数不超过10^-9)条件下的活度系数；
(3)将上述所得到的无限稀释条件下的活度系数带入到UNIFAC模型当中，选择离子液体A和传统物质B中所需的基团相互作用参数，进行数据关联,最终就能得到离子液体A与传统物质B所指定基团之间的相互作用参数，从而就能够预测含离子液体体系的有限活度系数和化学位等热力学性质。
本发明上述所述的离子液体A或离子液体A中的基团选自序号30-75，,传统物质B或传统物质B中的基团选自1-29号，其中1-75号分别为：CH2、C＝C、ACH、ACCH2、OH、CH3OH、H2O、ACOH、CH2CO、CHO、CCOO、HCOO、CH2O、CF2、CHF、CHF2、CHF3、CO2、C2H4、CH4、O2、CO、H2、SO2、H2S、N2O、DMF、NMP和Thiophene(1-29号)；[MIM][BF4]、[MIM][Tf2N]、[MIM][BOB]、[MIM][TfO]、[MIM][MeSO3]、[MIM][MeSO4]、[MIM][EtSO4]、[MIM][CH3OC2C2H4SO4]、[MIM][Cl]、[MIM][DEPO4]、[MIM][DMPO4]、[MIM][MDEGSO4]、[MIM][NO3]、[MIM][OcSO4]、[MIM][PF6]、[MIM][SbF6]、[MIM][SCN]、[MIM][TCB]、[MIM][TFA]、[MIM][TOS]、[MIM][Ac]、[MPIP][Tf2N]、[MPIP][SCN]、[MPY][BF4]、[MPY][Tf2N]、[MPY][TfO]、[MPY][C2H5OC2H4SO4]、[MPY][SCN]、[MPY][TOS]、[MPYR][Tf2N]、[MPYR][TfO]、[MPYR][SCN]、[N-C3OHPY][Tf2N]、[N-C3OHPY][FAP]、[(OCH2)2IM][Tf2N]、[OCH2MIM][Tf2N]、[Quin][Tf2N]、[R1R2R3R4N][Tf2N]、[R1R2R3R4N][TS]、[R1R2R3R4P][BF4]、[R1R2R3R4P][TS]、[R1R2R3R4P][MeSO4]、[R1R2R3R4P][(C8H17)2PO2]、[R1R2R3R4P][Cl]、[R1R2R3R4P][FAP]和[R1R2R3R4S][Tf2N](30-75号)。
本发明技术方案提供了一种预测离子液体与传统物质之间所指定基团的相互作用参数的联合热力学模型的构建方法，通过该发明，在缺少实验数据的情况下，可以省去大量的人力财力物力来较为准确地获取未知的离子液体与传统物质之间所指定基团的相互作用参数，从而可以用来较为准确地预测含离子液体体系的有限活度系数和化学位等热力学性质。
附图说明
附图1为本发明的离子液体与传统物质之间所指定基团的相互作用参数模拟的计算流程图。
附图2为实施例4的汽液相平衡图，黑色方框——实验值，最上边的实线——COSMO-UNIFAC模型的计算值，中间的实线——UNIFAC模型的计算值，最下边的虚线——UNIFAC(0)模型的计算值
附图3为本发明离子液体与传统物质之间所指定基团的相互作用参数的空缺表，黑色方框——表示所指定基团的二元相互作用参数已存在，白色框——表示所指定基团的二元相互作用参数缺失，本发明能够替补此空白参数。
具体实施方式
本发明以下实施例说明如何预测离子液体与传统物质之间所指定基团的相互作用参数，但本发明不限于下述实施例，在不脱离前后所述宗旨的范围下，变化实施例都包含在本发明的技术范围内。
实施例1
(1)选定附图3中第8和第30种基团(见附图3)，以1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([BMIM][BF4])和苯酚为例，如附图1的所示流程图，先用Turbomole软件中的密度泛函理论对[BMIM]+、[BF4]-和苯酚进行几何优化，并对稳定的分子构象进行计算形成COSMO文件。
(2)将步骤(1)所生成的COSMO文件导入到COSMOtherm软件的数据库中，通过COSMOtherm软件，采用COSMO-RS热力学模型计算0-120℃范围内每隔2℃苯酚在[BMIM][BF4]中无限稀释条件下的活度系数。
(3)将上述所得到的无限稀释条件下的活度系数带入到Aspen Plus中的UNIFAC模型进行数据关联,并在模型中选取所指定的基团[MIM][BF4]和ACOH，最终就能得到[MIM][BF4]与ACOH基团之间的相互作用参数，从而就能够预测含有[MIM][BF4]的离子液体和含有ACOH传统物质组成体系间的有限活度系数和化学位等热力学性质。
实施例2
(1)选定第8种和第49种基团(见附图3)，以1-丁基-3-甲基咪唑对甲苯磺酸盐([BMIM][TOS])和苯酚为例，如附图1的所示流程图，先用Turbomole软件中的密度泛函理论对[BMIM][TOS]和苯酚进行几何优化，并对稳定的分子构象进行计算形成COSMO文件。
(2)将步骤(1)所生成的COSMO文件导入到COSMOtherm软件的数据库中，通过COSMOtherm软件，采用COSMO-RS统计热力学模型计算0-120℃范围内每隔2℃苯酚在[BMIM][TOS]中无限稀释条件下的活度系数。
(3)将上述所得到的无限稀释条件下的活度系数带入到Aspen Plus中的UNIFAC模型当中进行数据关联,并在模型中选取指定的基团[MIM][TOS]和ACOH，最终就能得到[MIM][TOS]与ACOH基团之间的相互作用参数，从而就能够预测含[MIM][TOS]离子液体和含ACOH传统物质体系的有限活度系数和化学位等热力学性质。
实施例3
(1)选定第46和第9种基团(见附图3)，以1-丁基-3-甲基咪唑硫氰酸盐([EMIM][SCN])和丙酮为例，如附图1的所示流程图，先用Turbomole软件中的密度泛函理论对[EMIM][SCN]和丙酮进行几何优化，并对稳定的分子构象进行计算形成COSMO文件。
(2)将步骤(1)所生成的COSMO文件导入到COSMOtherm软件的数据库中，通过COSMOtherm软件，采用COSMO-RS统计热力学模型计算0-120℃范围内每隔2℃吡啶在[EMIM][SCN]中无限稀释条件下的活度系数。
(3)将上述所得到的无限稀释条件下的活度系数带入到Aspen Plus中的UNIFAC模型当中进行数据关联,并在模型中选取指定的基团[MIM][SCN]和CH2CO，最终就能得到[MIM][SCN]与CH2CO基团之间的相互作用参数，从而就能够预测含[MIM][SCN]的离子液体和含CH2CO的传统物质的体系的有限活度系数和化学位等热力学性质。
实施例4
(1)选定第33和第9种基团(见附图3)，以1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲基磺酸盐([EMIM][TFO])和丙酮为例，如附图1的所示流程图，先用Turbomole软件中的密度泛函理论对[EMIM][TFO]和丙酮进行几何优化，并对稳定的分子构象进行计算形成COSMO文件。
(2)将步骤(1)所生成的COSMO文件导入到COSMOtherm软件的数据库中，通过COSMOtherm软件，采用COSMO-RS统计热力学模型计算0-120℃范围内每隔2℃丙酮在[EMIM][TFO]中无限稀释条件下的活度系数。
(3)将上述所得到的无限稀释条件下的活度系数带入到Aspen Plus中的UNIFAC模型当中进行数据关联,并在模型中选取指定的基团[MIM][TFO]和CH2CO，最终就能得到[MIM][TFO]与CH2CO基团之间的相互作用参数，从而就能够预测含[MIM][TFO]的离子液体和含CH2CO的传统物质的体系的有限活度系数和化学位等热力学性质。
为了验证实验结果，这里对实施例4进行了以下验证：
查阅文献，得到了丙酮和[EMIM][TFO]体系的汽液相平衡实验数据(当两相平衡时体系压力，温度和组成的关系)，通过这些实验值计算出丙酮实际的活度系数γ1,exp，同时也分别用UNIFAC模型，UNIFAC(0)模型(基团参数表空白的情况下，默认基团之间的相互作用参数为0)和COSMO-UNIFAC模型得到指定基团的相互作用参数，进一步模拟出不同条件下的丙酮的活度系数γ1,UNIFAC，γ1,UNIFAC(0)和γ1OSMO-UNIFAC，并将它们进行比较，结果如表1所示。
表1
在表1中，T和P分别表示体系的温度和压力，x表示丙酮在体系中的摩尔分数，从表1当中，可以看到，由UNIFAC模型和COSMO-UNIFAC模型所计算出的活度系数与实验值较为接近，并且偏差要小于UNIFAC(0)模型。同时，通过作图来更加直观的对这些模型进行比较。如附图2所示，最上边的黑色实线表示由COSMO-UNIFAC模型计算的体系汽液相平衡数据，黑色方框代表实验值，中间黑色的实线表示由UNIFAC模型计算的体系汽液相平衡数据，最底下的虚线表示由UNIFAC(0)模型计算的体系汽液相平衡数据。从附图2中可以明显地看出UNIFAC模型和COSMO-UNIFAC模型相对于UNIFAC(0)模型来说，模拟值与实验值更加相近，结果更好。
由以上分析可知，一方面，相对于UNIFAC(0)模型，COSMO-UNIFAC模型模拟值的偏差要小很多，同时模拟值也更接近实验值，这说明本发明所建立的联合热力学模型能够较好地用于预测含离子液体体系的有限活度系数和化学位等热力学性质；另一方面，虽然UNIFAC模型能够很好地拟合出我们所需要的离子液体热力学性质，但是正如背景技术所介绍的，UNIFAC模型是基于大量的实验数据，而这些实验数据需要耗费大量的人力财力和物力，含离子液体体系基团相互作用参数表70％以上还是空白的(见附图3)，所以本发明就提供了一个既节省大量资源，又能较好地预测含离子液体体系的有限活度系数和热力学等热力学性质的方法，这就是本发明的意义所在。
Claims (3)
1.一个适用于含离子液体体系的联合热力学模型—COMSO-UNIFAC建模计算关联基团之间的相互作用参数的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)欲得到待测离子液体A和传统物质B所指定基团之间的相互作用参数，首先利用密度泛函理论的单点算法计算离子液体A与含有传统物质基团的传统物质B结构稳定的分子构象的能量，并对稳定的分子构象进行几何优化，形成COSMO文件；
(2)采用COSMO-based热力学模型计算0-120℃温度范围内每隔2℃传统物质B在离子液体A中无限稀释(B的质量分数不超过10^-9)条件下的活度系数；
(3)将上述所得到的无限稀释条件下的活度系数带入到UNIFAC模型当中，选择离子液体A和传统物质B中所需的基团相互作用参数，进行数据关联,最终就能得到离子液体A与传统物质B所指定基团之间的相互作用参数。
2.按照权利要求1所述的一个适用于含离子液体体系的联合热力学模型—COMSO-UNIFAC建模计算关联基团之间的相互作用参数的方法，其特征在于，无限稀释为B的质量分数不超过10^-9。
3.按照权利要求1所述的一个适用于含离子液体体系的联合热力学模型—COMSO-UNIFAC建模计算关联基团之间的相互作用参数的方法，其特征在于，所述的离子液体A或离子液体A中的基团选自序号30-75，传统物质B或传统物质B中的基团选自1-29号，其中1-75号分别为：CH2、C＝C、ACH、ACCH2、OH、CH3OH、H2O、ACOH、CH2CO、CHO、CCOO、HCOO、CH2O、CF2、CHF、CHF2、CHF3、CO2、C2H4、CH4、O2、CO、H2、SO2、H2S、N2O、DMF、NMP和Thiophene(1-29号)；[MIM][BF4]、[MIM][Tf2N]、[MIM][BOB]、[MIM][TfO]、[MIM][MeSO3]、[MIM][MeSO4]、[MIM][EtSO4]、[MIM][CH3OC2C2H4SO4]、[MIM][Cl]、[MIM][DEPO4]、[MIM][DMPO4]、[MIM][MDEGSO4]、[MIM][NO3]、[MIM][OcSO4]、[MIM][PF6]、[MIM][SbF6]、[MIM][SCN]、[MIM][TCB]、[MIM][TFA]、[MIM][TOS]、[MIM][Ac]、[MPIP][Tf2N]、[MPIP][SCN]、[MPY][BF4]、[MPY][Tf2N]、[MPY][TfO]、[MPY][C2H5OC2H4SO4]、[MPY][SCN]、[MPY][TOS]、[MPYR][Tf2N]、[MPYR][TfO]、[MPYR][SCN]、[N-C3OHPY][Tf2N]、[N-C3OHPY][FAP]、[(OCH2)2IM][Tf2N]、[OCH2MIM][Tf2N]、[Quin][Tf2N]、[R1R2R3R4N][Tf2N]、[R1R2R3R4N][TS]、[R1R2R3R4P][BF4]、[R1R2R3R4P][TS]、[R1R2R3R4P][MeSO4]、[R1R2R3R4P][(C8H17)2PO2]、[R1R2R3R4P][Cl]、[R1R2R3R4P][FAP]和[R1R2R3R4S][Tf2N](30-75号)。
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