基于分子动力学方法研究螺旋微通道内空气 - 甲烷催化燃烧：不同氧比下甲苯浓度对热学和原子性质的影响

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Catalytic combustion of air-methane within a helical microchannel utilizing a molecular dynamics approach: the impact of toluene concentration with various oxygen ratios on thermal and atomic properties

　　

摘要

本研究利用分子动力学模拟，探讨在不同氧气比例下甲苯对螺旋微通道内空气-甲烷催化燃烧的影响。研究重点关注了含有不同甲苯浓度（影响氧气比例）的模拟样品的热学和原子特性。考察的参数包括热通量、热导率、燃烧效率、最大速度、温度和密度。研究结果表明，增加甲苯浓度可以提高纳米结构的热学和原子特性。具体而言，在缺氧环境中，将甲苯浓度从1%提高到4%时，热通量从2025 W/m2增至2035 W/m2，热导率从1.09 W/m·K增至1.14 W/m·K，燃烧效率从84%提高至85%。相反，添加10%的甲苯使这些指标分别下降至2029 W/m2、1.10 W/m·K和81%。在富氧环境中，将甲苯浓度从1%提高到4%时，热通量、热导率和燃烧效率分别从2019 W/m2、1.06 W/m·K和81%提高至2032 W/m2、1.10 W/m·K和85%。然而，加入10%甲苯后，这些数值分别降至2026 W/m2、1.10 W/m·K和84%。因此，添加少量甲苯可以增强空气-甲烷混合物的燃烧性能，因为在缺氧环境中它作为一种有效的活性添加剂发挥作用。

引言

燃烧是一种产生热量的氧化过程，是人类最早创造的技术之一，已使用了超过一百万年。燃料通常由有机分子组成，可以存在于固态、液态或气态[1]、[2]。在燃烧过程中，火焰可分为两个不同的区域：反应区和加热区。在反应区中，大量的化学能被释放出来，而加热区中仅产生极少热量[3]。燃烧按燃烧速率进行分类，在此分类中，燃烧可以是快速的、缓慢的、完全的、混乱的、不完全的或无焰的[4]、[5]。

相比之下，催化燃烧（CC）是一种低温（T）过程，产生的氮氧化物极少。在环境温度下运行的催化系统不需要预热，因为该方法涉及两个加热的催化部件。各种因素会影响这种燃烧类型的效率，包括催化剂类型、气体流速和污染物的存在[6]、[7]。催化剂在化学性质保持不变的情况下，影响燃烧反应的速率。尽管如此，它可能发生了物理改性[8]。

甲苯是众多催化剂之一。甲苯是一种特定的芳香烃，化学式为C?H?（C?H?CH?）[9]。它主要从天然来源获取，如托卢树的树脂，以及煤焦油的蒸馏过程（用于生产焦炭）[10]、[11]。此外，甲苯还可以通过各种化学和催化工艺合成。这种无色液体因不溶于水而被用作溶剂和工业原料[12]、[13]。燃烧过程在各行业中的重要性推动了该领域的大量研究。例如，Shen等人[14]发现，经过工程化Co-O键的氧化钴催化剂通过改善活性氧相互作用，显著增强了甲苯燃烧。Mi等人[15]表明，CeO?上甲苯的CO氧化关键取决于其表面网络的氧反应性，而该反应性随纳米材料几何形状而变化。Bi等人[16]显示，低Pd负载量的UiO-66催化剂能有效分解甲苯并抵抗水失活，使其适用于现场应用。Zhu等人[17]报告称，水碳比和温度强烈影响催化蒸汽重整过程中甲苯转化率和气体产率，这与生物质焦油加工相关。Song等人[18]得出结论，优化MnO催化剂中硫酸锰的浓度可以提高甲苯的催化氧化效率，从而有利于甲烷燃烧。Detilleux和Vandooren[19]阐明了甲苯与氧气和甲烷燃烧的化学途径，深化了对其在预混火焰中动力学影响的理解。Yu等人[20]开发了在低温（约174°C）下能高效氧化甲苯的铂催化剂，展示了低温CC系统的潜力。Chen等人[21]将过渡金属掺杂WO?氧化物上有机污染物催化降解的增强与介孔结构中金属-电子相互作用的改善联系起来。Liu等人[22]发现，钨-铁复合氧化物抑制了相结晶并促进了电子相互作用，从而有效实现了甲苯和氯苯的催化燃烧。Jin等人[23]揭示，Ce-Nb-O混合氧化物具有高分散性和强元素相互作用，对含氯挥发性有机化合物（VOCs）的燃烧表现出优越的催化活性。Yang等人[24]将CeO?-Nb?O?混合氧化物上VOC催化燃烧的改善归因于活性氧物种的丰富和介孔结构。Yang等人[25]证明，(Ce, Cr)?O?/Nb?O?催化剂在连续运行中对1,2-二氯乙烷的氧化表现出优异的长期活性和耐久性。Tan等人[26]研究了基于CuO的复合催化剂上混合挥发性有机化合物（特别是甲苯和氯苯）的催化降解行为。他们的结果表明，这些芳香族化合物的共存导致复杂相互作用，包括协同效应和抑制效应，显著影响了氧化途径和中间产物的形成。甲烷是一种广泛使用的燃料和重要的温室气体，通常与其他烃类（如甲苯）在实用燃烧系统中结合使用[27]。甲苯是燃料混合物中常见的芳香族化合物，通过改变反应途径、放热量和排放物来影响甲烷燃烧[28]、[29]。由于其高辛烷值和抗爆性能，甲苯的存在可以提高燃烧效率（CE）并减少污染物，如未燃烧烃类和CO[30]。虽然以往研究主要将甲苯视为反应物或需要去除的污染物，但本研究独特地探索了甲苯作为一种在分子水平上积极影响催化燃烧行为的添加剂。本工作利用分子动力学（MD）模拟，考察了添加甲苯作为活性添加剂以及对过量氧（EO）和缺氧（OD）介质产生影响的情况下，空气-甲烷催化燃烧中模拟结构的原子和热学行为。MD模拟被用于计算大量评估中的燃烧特性[31]、[32]。通过报告在不同甲苯比例（1%、2%、4%、6%和10%）下的最大密度（Max-D）、最大速度（Max-V）、最大温度（Max-T）以及热导率（TC）、热通量（HF）和燃烧效率（CE），验证了原子和热学行为。研究结果为设计优化的燃料混合物和催化剂提供了有价值的见解，这些催化剂反映了涉及混合烃类的真实燃烧条件，对提高能源效率和减少环境影响具有重要意义。

分子动力学模拟

在力学中，粒子的运动可以从两个不同的角度进行分析：运动学和动力学。运动学不涉及运动的原因，而动力学则涉及。在此背景下，假定每个粒子与其周围环境相互作用并受到影响。粒子的运动由影响其运动的周围物体的性质和排列决定[33]。分子动力学模拟是一种计算粒子时间依赖行为的技术。

缺氧介质（OD）

在研究初期，通过评估和报告无甲苯催化剂时热通量、热导率和燃烧效率的变化，研究了模拟样品的热学行为。模拟结构的热学行为则使用Green-Kubo方程确定。方程（7）、（8）用于计算某些热学特性[48]：

K = Vk_BT2 ∫?^∞ J_x(0)J_x(t)dt = V/(3k_BT2) ∫?^∞ J(0)·J(t)dt

J = (1/V) Σ?e?v? - Σ?S?v?
J = (1/V) Σ?e?v? - Σ?
在此，(k)代表热导率，(j)

结论

在本研究中，使用分子动力学模拟研究了不同浓度甲苯作为活性添加剂在缺氧和富氧介质中对空气-甲烷催化燃烧的热学和原子行为的影响。通过考察热通量、热导率和燃烧效率来评估热学性能，并通过最大速度、最大密度和最大温度来评估模拟结构的原子行为。本研究的主要观点如下：

- 总动能和温度能量分别收敛于300 k和517.52 ev。

作者贡献声明

narinderjit singh sawaran singh：资金获取、形式分析、数据整理、概念构思。nasser s. awwad：资金获取、形式分析、数据整理、概念构思。mustafa bayram：资金获取、形式分析、数据整理、概念构思。mauricio vásquez-carbonell：资金获取、形式分析、数据整理、概念构思。mahmut taner：资金获取、形式分析、数据整理、概念构思。soheil salahshour：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

作者感谢king khalid大学研究与研究生院通过小型研究项目资助本研究，项目编号为rgp1/187/46。

narinderjit singh sawaran singh | nasser s. awwad | mustafa bayram | mauricio vásquez-carbonell | mahmut taner | soheil salahshour | ali mohammadi hasanabad + v?)x?? 在此，(k)代表热导率，(j) 结论 在本研究中，使用分子动力学模拟研究了不同浓度甲苯作为活性添加剂在缺氧和富氧介质中对空气-甲烷催化燃烧的热学和原子行为的影响。通过考察热通量、热导率和燃烧效率来评估热学性能，并通过最大速度、最大密度和最大温度来评估模拟结构的原子行为。本研究的主要观点如下： - 总动能和温度能量分别收敛于300 k和517.52 ev。 作者贡献声明 narinderjit singh sawaran singh：资金获取、形式分析、数据整理、概念构思。nasser s. awwad：资金获取、形式分析、数据整理、概念构思。mustafa bayram：资金获取、形式分析、数据整理、概念构思。mauricio vásquez-carbonell：资金获取、形式分析、数据整理、概念构思。mahmut taner：资金获取、形式分析、数据整理、概念构思。soheil salahshour： 利益冲突声明 作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文所报告的工作。 致谢 作者感谢king khalid大学研究与研究生院通过小型研究项目资助本研究，项目编号为rgp1 187 46。 narinderjit singh sawaran singh | nasser s. awwad | mustafa bayram | mauricio vásquez-carbonell | mahmut taner | soheil salahshour | ali mohammadi>
在此，(k)代表热导率，(j)

结论

在本研究中，使用分子动力学模拟研究了不同浓度甲苯作为活性添加剂在缺氧和富氧介质中对空气-甲烷催化燃烧的热学和原子行为的影响。通过考察热通量、热导率和燃烧效率来评估热学性能，并通过最大速度、最大密度和最大温度来评估模拟结构的原子行为。本研究的主要观点如下：

- 总动能和温度能量分别收敛于300 k和517.52 ev。

作者贡献声明

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利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

作者感谢king khalid大学研究与研究生院通过小型研究项目资助本研究，项目编号为rgp1/187/46。

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