碳/碳复合材料碳源化合物乙苯热裂解机理的热力学研究

主要采用Gaussian 03程序中的密度泛函理论(DFT),在UB3LYP/6-31G*水平上对碳材料用碳源化合物乙苯的初期热裂解反应机理进行了研究.对反应物和产物的结构进行了能量梯度法全优化,计算了不同温度下(298～1573 K)的热力学参数.结果表明:在298～1573 K下,热力学首先支持生成甲苯自由基和甲基自由基的反应为主反应路径.低温下,生成苯乙基自由基(α位脱氢)的反应比例大于生成苯基自由基的反应,而高温下(823 K),生成苯基自由基的反应比例大于苯乙基自由基(α位脱氢)的反应.     

环己烷超临界裂解性能分析

详细研究了超临界条件下环己烷的热裂解性能,其中气相产物采用气相色谱分析,液相产物通过气相色谱-质谱联用仪进行分析,主要裂解产物为甲烷、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯、丁烯、己烯、环己烯和苯等。研究发现,温度、压力和流体的湍动程度显著影响裂解反应,裂解转化率和裂解深度随温度升高均增加,压力和流体的湍动程度对裂解的影响是通过改变停留时间产生的。根据液相产物的主要成分,推测了可能的裂解过程。     

纤维素快速热裂解机理试验研究 Ⅱ. 机理分析

针对在热辐射反应器上得到的纤维素热裂解实验结果，对左旋葡聚糖、1-羟基-2-丙酮以及乙醇醛等一次产物的生成机理进行了分析研究。在气相产物快速析出并急冷的条件下，乙醇醛和1-羟基-2-丙酮二种产物的生成与LG的生成呈现出竞争反应。基于这一结果，我们建立了竞争反应动力学模型，并分别对乙醇醛和1-羟基-2-丙酮进行了模拟，得出二种产物的生成具有相似的动力学行为，表明这两种竞争化合物具有相同的初始反应。分析认为，纤维素的热裂解通过活性纤维素这一反应前体以异裂和均裂两种热解途径进行分解，其中转糖基作用下糖苷键的异裂断开形成了包括LG以及其同分异构体的脱水糖；缩醛结构的开环以及环内C—C键的断裂形成乙醇醛、1-羟基-2-丙酮以及CO等其它小分子化合物。在Brodio-shafizadeh模型的基础上提出了反应机理模型，并按照该模型对高辐射源温度下纤维素热裂解LG的生成进行了模拟，计算结果与实验数据吻合较好。     

甲苯热裂解机理的AM1研究(Ⅱ)动力学分析

在（Ⅰ）报热力学的基础上,本文用Gaussian98程序包中AM1法UHF计算,对碳材料用碳前驱体甲苯热裂解机理进行了动力学研究,通过用QST2方法寻找过渡态并经过内禀反应坐标IRC验证。计算得到了甲苯5种热裂解路径的活化能;用过渡态理论,计算了得到了这些路径在298－1073K温度范围内的速率常数。动力学计算结果表明：甲苯在热解温度低于963K时的主反应路径为甲苯热裂解生成苄基自由基的反应;该主反应路径又是经过由反应物→中间体→产物而完成,速控步为反应物→中间体,速控步的活化能△E^O=E(TS1′）-E（R）=227.20kJ.mol^-1;当温度高于963K或1073K左右时,主反应路径转为苯环上脱甲基生成苯基和甲基自由基的路径。以上研究结果与实验结果相一致。     

碳材料用碳源化合物热解机理的理论研究

运用Ｇａｕｓｓｉａｎ９８程序包中的ＡＭ１方法,对间二甲苯系列化合物的热反应活性及热裂解机理进行了研究。通过不同温度下标准热力学量的计算和自在间的轨道能级差的量子化学理论计算,结果表明：（１）当温度低于８００℃时,对各反应物来说热力学支持的主反应路径均是苯环上甲基Ｃ－Ｈ键首先断裂。当温度达到８００℃时,热裂解路径由首先选择Ｃ－Ｈ键的断裂变成首先选择苯环与甲基间Ｃ－Ｃ键的断裂。该结论与实验结果一致;（２）各反应物之间的热反应活性由大到小的顺序为：２,４－二甲基苯酚〉２,４－二甲基－１－巯基苯〉间二甲苯〉２,４－二甲基－１－氰基苯。同时亦说明,自由基之间的前线轨道能级差和热力学量的变化等理论参数一样亦可用于判断间二甲苯系列反应物的热解机理和热反应活性。     

纤维素快速热裂解机理试验研究 Ⅰ. 试验研究

在热辐射反应器上对纤维素快速热裂解过程中主要一次产物的生成规律进行了研究。结合焦油的GC-MS分析，发现左旋葡聚糖（LG）作为最重要的液体产物，占据了焦油质量的45w%～85w%。LG的生成主要集中在550 ℃～650 ℃中温辐射源区域，其产量随温度的变化存在一最佳值，约在640 ℃左右得到54.4w%的最高产率。乙醇醛(HAA)作为焦油的第二重要组分，在焦油中达到了6w%～14w%的比例，与之含量接近的还有1-羟基-2-丙酮(Acetol)，约为3.5w%～8w%。它们的产率在相当大的范围内随温度的升高而增加，表明高温有利于它们的生成。同时分析表明乙醇醛、1-羟基-2-丙酮是在与LG的竞争过程中作为纤维素热裂解一次产物直接生成的。     

甲基苯热裂解机理的理论研究

在半经验UAM1方法及从头算UHF／3－21G*水平的基础上，用考虑了电子相关效应的密度泛函UB3LYP／3－21G＊方法对碳前驱体甲基苯的热裂解反应机理进行了研究，并对反应物、产物自由基及过渡态的结构进行了能量梯度法全优化。计算结果表明，甲基苯的热裂解温度较低时，首先支持苯环甲基上的C－H键断裂，继而发生生成联二甲苯的反应。随着温度的提高，生成苯自由基的反应比例将增加，同时发生少量的苯环上C－H键断裂的反应。该反应机理与实验结果相一致；用密度泛函方法UB3LYP／3－21G*计算的反应标准焓变ΔH与实验值吻合较好。     

以环己烷为溶剂菲的催化加氢裂解动力学研究

在微型反应器中,以氧化铝-分子筛为担体的Ni-Mo催化剂对环己烷中的菲的加氢裂解动力学进行了研究。考察了温度、压力和气液比对反应的影响。利用非线性Marquart方法对实验数据进行了回归,得到幂指数随温度倒数线性变化的幂速率方程,经动力学模型识别与检验,建立了菲加氢裂解反应的动力学速率方程。     

碳氢燃料热裂解机理及化学动力学模拟

发动机设计中,燃烧室的热管理问题日益突出.其根源必然涉及到碳氢燃料的化学机理模型.讨论了大分子烃类燃料热裂解反应的反应类型,分析了各反应类型的详细动力学以及对热裂解反应的灵敏度、重要性.根据热裂解反应类型有限和基于物质的一维表示,开发了大分子烃类反应机理的自动生成程序ReaxGen.建立了相应的热、动力学数据库,探讨了如何建立碳氢燃料的详细热裂解化学动力学模型.最后我们建立了正庚烷热裂解反应的详细机理,并用该机理模型模拟预测了产物分布和转化率,理论上计算了热沉值.所得结果与文献结果进行对比讨论.     

DFT Thermodynamic Research of the Pyrolysis Mechanism of the Carbon Matrix Precursor Toluene for Carbon Material

IntroductionAs far as the carbon matrix precursor for carbon material is concerned, the pyrolysis car-bonization mechanism and initial pyrolysis carbonization reaction process are still a field notfully to be understood and to be studied[l--3J. This kind of research is very important for effi-ciently utilizing the organic substance sources and developing new carbon materials (carbon/carbon composite, carbon fiber, graphic material for atomic reactor, medical carbon materialand graphic e1ectrod…     

Pyrolysis mechanism of carbon matrix precursor cyclohexane(III)—pyrolysis process of intermediate 1-hexene

The pyrolysis mechanism of important intermediate 1-hexene of carbon matrix precursor cyclohexane was studied theoretically. Possible reaction paths were designed based on the potential surface scan and electron structure of the initial C–C bond breaking reactions. Thermodynamic and kinetic parameters of the possible reaction paths were computed by UB3LYP/6-31+G* at different temperature ranges. The results show that 1-hexene pyrolyzes at 873 K. When below 1273 K, the major reaction paths are those that produce C₃H₄, and above 1273 K, the major reaction paths are those that produce C₃H₃ from the viewpoint of thermodynamics. From the viewpoint of kinetics, the major product is C₃H₃, it results from the pyrolysis reaction of 1-hexene cracking bond C₃–C₄ and generating C₃H₅ and C₃H₇ with the activation energy ΔE₀^≠θ=296.32 kJ/mol. Kinetic results also show that product C₃H₄ accompany simultaneously, which is the side reaction starting from the pyrolysis of 1-hexene forming C₄H₇ and C₂H₅ with the activation energy of 356.73 kJ/mol. When reaching 1473 K, the rate constant of the rate-determining steps of these two reaction paths do not show much difference, which means both the reaction paths exist in the pyrolysis process at the high temperature. The above results are basically in accordance with mass spectrum analysis and far more specific.     

哒嗪裂解反应机理的密度泛函理论研究

利用密度泛函理论(DFT)方法, 以哒嗪为煤的模型化合物, 在(U)B3LYP/6-31G(d,p)水平下计算了标题化合物的键布居数和键裂解能, 并对其热解机理进行了探讨. 在(U)B3LYP/6-311++G(d,p)水平下计算了热解过程中各物种的单点能, 并对总能量进行了校正. 结果表明, 标题物N-N键的布居数和裂解能均最小, 且各键裂解能随温度变化不大, 热解最终产物为HCN和乙炔, NH₃可能是HCN经过二次转换得到的. 采用过渡态理论计算了300~1900 K温度范围内热解的速率常数, 求得lnk与1/T的线性关系.     

碳前驱体CH3ArCH2NH2热解反应的热力学和动力学DFT研究

在实验研究基础上 ,通过量子化学理论计算对碳前驱体 CH3 Ar CH2 NH2 的热裂解机理作了进一步的研究 .利用 Gaussian98程序包中 AM1方法及 DFT UB3 LYP/3 -2 1 G*方法 ,对化合物 5种可能热裂解路径的热力学和动力学计算结果表明 ,CH3 Ar CH2 NH2 热裂解的主反应路径为生成自由基 CH3 Ar CH2 ·和 NH2 · ,其主反应路径 AM1计算的活化能 Ea=2 3 0 .78k J/mol,DFT计算的活化能 Ea=3 2 1 .1 8k J/mol;比较键焓计算的数据与相应的实验数据 ,发现 DFT计算结果与实验结果吻合得较好 ;通过分析优化的反应物及产物自由基的部分结构参数 ,了解了理论支持主反应的原因 ;计算的产物自由基的空间构型表明主反应路径生成的产物自由基相互间若进行稠环缩合反应 ,将获得分子平面取向性很好的稠环芳烃产物     

碳前驱体CH3ArCH2NH2的热解性能及动力学研究

通过密闭压力容器法、常压DSC、高压DSC及紫外分光光度定量分析法等实验手段,对液相沉积法制碳／碳复合材料用碳前驱体CH3ArCH2NH2的热裂解行为进行了研究,获得不同温度、不同压力下该碳前驱体的热分解温度和残碳率,用等温动力学和非等温动力学方法获得了热裂解反应的表观活化能,实验结果表明,常压热裂解温度大约为530．15－556．55K,1－3MPa的高压范围内的热裂解温度大约在618．34－675．49K,密闭压力容器中的残碳率为56．23％,常压下的残碳率为28．96％－36．47％,而高压下残碳率可达59．11％,根据基辛格等方法获得了等温条件下和非等温条件下热裂解反应的表观活化能Ea分别为206．78kJ/mol和183．93kJ/mol, 反应级数N~1.     

Mechanism of Xylan Pyrolysis by Py-GC/MS

In order to investigate the decomposition behavior of hemicellulose, xylan was chosen as the representative of hemicellulose to study the fast pyrolysis on the combination system of analytical pyrolyzer and gas chromatograph coupled with mass spectrometer(Py-GC/MS). The main condensable products of xylan pyrolysis consisted of acids, aldehydes, and ketones; while gas products contained CO₂, CO, CH₄ and H₂. Acetic acid and furfural were the most abundant products with the highest contents of 20.11% and 20.24% respectively. While furfural and acetic acid were formed competitively with residence time and temperature increases, the distribution of xylan pyrolysis products did not vary with the residence time and temperature, while the total content of several kinds of products changed a lot. According to the analysis of experimental data, a reaction pathway of xylan decomposition was deduced so as to illustrate the formation mechanism of main products.     

异丁烷高温热解反应动力学和机理

用激波管激光纹影技术测定了异丁烷高温热解反应信号，对热解过程中重要单分子反应的降变行为作了理论计算，建立了由五十个基元反应组成的反应机理并进行了计算机模拟，本文得到引发反应i-C_4H_(10)→CH_3＋i-C_3H_7在温度为1500－1850 K，压1.00×10~4-2.00×10~4 Pa时的速率常数为k_1＝6.22×10~(11) exp(－457000/RT)±50％(S~(-1))．这一结果与降变理论计算符合得很好．     

正癸烷热解的小规模化学动力学机理模型

正癸烷是目前常用的吸热型燃料的替代组分, 但是其热解机理的研究迄今还很少, 且现有的少数几个机理由于规模庞大使用不便. 本文首先构建了一个包含33种组分和75个基元反应的正癸烷热解动力学机理模型(Mech33); 随后, 在该机理的基础上进一步通过灵敏度分析得到影响主要热裂解组分生成的速率控制步, 并采用局部平衡和稳态假设对Mech33机理简化得到了规模更小的、仅包含22种组分和59步反应动力学机理模型(Mech22). 在较宽的温度和压力范围内对流动反应器及激波管中正癸烷热解过程进行了数值模拟, 并与实验数据进行了对比, 结果表明, Mech33和Mech22两个动力学机理模型都能够很好地描述正癸烷热裂解过程,并准确预测主要热裂解产物的浓度分布, 为进一步实现化学反应与计算流体力学(CFD)耦合的工程计算提供了有价值的动力学机理模型.