[發明專利]一種基于隨機擴散理論的氣相色譜分離仿真方法

有效

• 申請號: 201810915908.3
• 申請日: 2018-08-13
• 公開（公告）號: CN108875284B
• 公開（公告）日: 2022-07-19
• 發明（設計）人: 孫寅璐;夏劍冬;崔雪婷;曾瑞瑄
• 申請（專利權）人: 遼寧大學
• 主分類號: G16C10/00
• 分類號: G16C10/00
• 代理公司: 沈陽杰克知識產權代理有限公司 21207
• 代理人: 鄭賢明

基于隨機擴散理論的氣相色譜分離仿真方法：色譜柱圓柱體結構及其內部能壘的建立；目標分離粒子在圓柱體內做自由隨機擴散運動，其速度大小具有分布特征；目標分離粒子在能壘以外區域還做定向擴散運動，定向擴散的驅動力為載氣，其擴散速度大小和方向與載氣流速相同；對大量粒子在色譜柱內的擴散分離過程進行模擬，粒子流出色譜柱的時間分布即為檢測信號。本發明的優點在于保留了制約擴散行為的關鍵信息，簡化粒子之間的相互作用，從而減少計算量，提高運行效率，實現氣相色譜的全過程分離動態模擬。

技術領域

本發明屬于分析化學、計算化學、計算機仿真領域，具體涉及一種基于隨機擴散理論的氣相色譜分離仿真方法。

背景技術

粒子擴散問題是微觀理論化學研究中的基本問題，更是研究傳質過程和計算傳質速率的重要基礎。實驗上通常采用熒光顯微鏡、原子力顯微鏡等單粒子跟蹤技術來追蹤粒子的擴散過程。這些技術手段大大提高了人們對粒子微觀運動的認識，然而基于現有的技術水平，依靠實驗方法還不足以獲得較為全面的擴散信息。隨著計算技術的飛速發展，計算機模擬方法將成為分子微觀行為研究中的重要輔助手段。它打破了實驗技術水平的限制，同時各實驗條件參數經過計算機模型化處理后更能清晰準確的表達對擴散行為的影響，從而揭示出粒子擴散的本質規律以及不同操作條件下的擴散模式，為實驗提供理論基礎。

色譜法是分離分析中最為常見的方法之一，其分離過程中的擴散問題是色譜動力學研究的基礎。深入理解粒子在兩相中的擴散和傳質行為，探索不同條件下的擴散機理，可有效控制峰展寬、提高分離度，為實現快速優化分離、提升色譜性能和改進分離器件提供了重要的理論依據。

從微觀上描述色譜擴散分離的方法可分為分子動力學和蒙特卡羅兩種。分子動力學方法是一種確定性的模擬方法，其優勢在于可全面模擬體系所經歷的物理化學全過程，精確獲取體系內部各種物理化學信息。例如考察氣相色譜中氣液界面的吸附和分配，非極性和極性物質在反相液相色譜中的保留機理，待測物質在氣相色譜中的過保留行為以及流動相改性對分配的影響等等。而蒙特卡羅方法是隨機動力學方法，求解問題通過建立概率模型然后統計分析得出，該方法側重于結果而忽略過程中的細節。目前這兩種方法均用于處理色譜吸附熱力學、待分離物質的性質以及溶劑化環境等局部問題，尚未用于研究色譜擴散分離的整體情況，實現色譜的全過程模擬。這是因為現有的計算水平往往適用于較小的擴散體系，而對于色譜分離這種較大規模的擴散體系來說，計算量過大，模擬用時遠遠超過可以接受的程度。

發明內容

為了解決上述問題，本發明研究了一種基于隨機擴散理論的氣相色譜分離仿真方法。該方法保留了制約擴散行為的關鍵信息，對粒子與固定相之間的溶解作用或吸附作用進行合理簡化，將模擬步長的時間尺度放大，減小運算量，提高運算效率，實現對氣液色譜和氣固色譜擴散分離的全過程模擬。

為了實現上述目的，本發明創造采用的技術方案為：一種基于隨機擴散理論的氣相色譜分離仿真方法，其特征在于，其步驟為：

1)將氣相色譜的色譜柱用數學圓柱體描述，其中圓柱體長度和內徑分別對應氣相色譜柱的柱長和內徑；色譜柱內的固定相用能壘描述，色譜柱內壁表面附有能壘層時對應模擬毛細管柱；色譜柱空腔內包含均勻分散的能壘顆粒時對應模擬填充柱；

2)利用隨機擴散運動描述粒子的無規則運動：目標分離粒子在圓柱體內無能壘區域做自由隨機擴散運動，其擴散方向全隨機，得到具有分布特征的擴散速率；

3)利用定向擴散運動描述目標分離粒子收到的載氣驅動作用：目標分離粒子在圓柱體內無能壘區域做自由隨機擴散運動外，還做定向擴散運動，定向速度大小和方向與載氣流速大小和方向相同；

4)利用隨機擴散速度衰減表示粒子在能壘即固定相中的溶解作用：目標分離粒子與能壘碰撞后進入能壘，粒子不受載氣定向驅動作用的影響，在能壘內部只做隨機擴散運動，且隨機擴散速度小于能壘外區域的隨機擴散速度；