شبیه‌سازی مونت‌کارلو ساختار کریستالی هیدرات CO2 با استفاده از روش ولف

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشگاه صنعتی امیرکبیر، دانشکده مهندسی شیمی

چکیده

در تحقیق حاضر، با استفاده از شبیه‌سازی مونت‌کارلو، ساختار هیدرات CO2 در دمای K 270 و فشار MPa 5 پیش‌بینی شده است. برای این منظور از مدل پتانسیلی TIP3P برای برهم‌کنش‌های بین مولکول‌های آب و از روش ولف برای محاسبه برهم‌کنش‌های الکترواستاتیک استفاده شده است. متداول‌ترین روشی که برای محاسبه برهم‌کنش‌های الکترواستاتیک در شبیه‌سازی مولکولی هیدرات CO2 تاکنون مورد استفاده قرار گرفته، روش جمع اوالد می‌باشد. روش ولف نسبت به روش اوالد ساده‌تر بوده و سرعت محاسبات در آن سریع‌تر می‌باشد. بنابراین، می‌توان برای سیستم‌های پیچیده‌تر هیدرات، به‌صورت گسترده از آن استفاده کرد. در انتها نتایج حاصل از شبیه‌سازی با نتایج حاصل از مقالات معتبر و نتایج تجربی مقایسه شده که دقت بالای روش مورد استفاده را نشان می‌دهد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Monte Carlo Simulation of the Crystalline Structure of CO2 Hydrate Using the Wolf Method

نویسندگان [English]

  • A. Sadeghifar
  • M. Dadvar
  • S. Karimi
Chemical Engineering Department, Amirkabir University of Technology
چکیده [English]

In the present research, Monte Carlo simulation is used to predict the structure of the CO2 hydrate at 5Mpa pressure and 270K temperature. For this purpose, the TIP3P model is used for the interactions between water molecules and the Wolf method is used for the electrostatic interactions. The most common method used in calculating electrostatic interactions in the simulation of hydrates is the Ewald sum method. In comparison with the Ewald method, the Wolf method is simpler and less expensive in computational cost. Therefore, the new method can be used in simulation of more complex hydrates extensively. The simulation results are in good agreement with the results reported in the well-known literature and experimental data.

کلیدواژه‌ها [English]

  • CO2 Hydrate
  • Monte Carlo Simulation
  • Wolf Method
  • TIP3P Model
منابع

1] Klouda J.B. & Sandler S.I., “Phase behavior of clathrate hydrate: a model for single and multiple gas component hydrates”, Chem. Eng. Sci., Vol. 58, pp. 27-41, 2003.

[2] Carrol J.J., Natural gas hydrates: a guide for engineers, Houston, Gulf Professional Publishing, TX, 2003.

[3] Englezos P., Kalogerakis N., Dholabhai P.D & Bishnoi P.R., “Kinetics of formation of methane and ethane gas hydrates”, Chem. Eng. Sci., Vol. 42, pp. 2647-2658, 1987.

[4] Radhakrishnan R. & Trout B.L., “A new approach for studying nucleation phenomena using molecular simulations: application to CO2 hydrate clathrates”, J. Chem. Phys. Vol. 117, No. 4, pp. 1786-1796, 2002.

[5] Sloan E.D. & Koh, C.A., Clathrate hydrate of natural gases, 3rd ed., Marcel Dekker, Inc., 2008.

[6] Sadus R.J., Molecular simulation of fluids, Theory, Algorithms and Object Orientation, Amesterdam, Elsevier Science, 2002.

[7] Allen M.P. & Tildesley D.J., Computer simulation of liquids, Oxford, Clarendon Press, 1987.

[8] Radhakrishnan R. & Trout B.L., “A new approach for studying nucleation phenomena using molecular simulations: application to CO2 hydrate clathrates”, J. Chem. Phys. Vol. 117, No. 4, pp. 1786-1796, 2002.

[9] Yezdimer E.M., Cummings P.T. & Chialvo A.A., “Determination of the gibbs free energy of gas replacement in sI clathrate hydrates by molecular simulation”, J. Phys. Chem. A, Vol.,106, pp. 7982-7987, 2002.

[10] Ferdows M., & Ota M., “Molecular simulation study for CO2 slathrate hydrate”, Chem. Eng. Technol., Vol. 28, No. 2, pp. 168-173, 2005.

[11] Geng C.Y., Wen H. & Zhou H., “Molecular simulation of the potential of methane reoccupation during the replacement of methane hydrate by CO2”, J. Phys. Chem. A, Vol. 113, pp. 5463–5469, 2009.

[12] Wolf D., Keblinski P., Phillpot S.R. & Eggebrecht J., “Exact method for the simulation of coulombic systems by spherically truncated, pairwise r-1 summation”, J. Chem. Phys., Vol. 110, No.17, pp. 8254-8282, 1999.

[13] Leach A.R., Molecular modeling, principles and applications, 2nd ed., Pearson Education Limited, 2001.

[14] Ewald P.P., Die berechnung optischer unil elektrostatischer gitterpotential, Ann. Phys. 64, pp. 253-287, 1921.

[15] Chialvo A.A., Houssa M. & Cummings P.T., “Molecular dynamics study of the structure and thermophysical properties of model sI clathrate hydrates”, J. Phys. Chem. B, Vol., 106, pp. 442-451, 2002.

[16] Ding L.Y., Geng C.Y., Zhao Y.H., XianFeng H. & Wen H., “Molecular dynamics simulation for surface melting and self-preservation effect of methane hydrate”, Science in China Series B: Chemistry, Vol. 51, No. 7, pp. 651-660, 2008.

[17] Koh C.A., Wisbey R.P., Wu X., Westacott R.E. & Soper A.K., “Water ordering around methane during hydrate formation”, J. Chem. Phys., Vol. 113, No. 15, pp. 6390-6397, 2000.