專利名稱：一種利用計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算化學(xué)物質(zhì)溶解度參數(shù)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算化學(xué)物質(zhì)溶解度參數(shù)的方法，特別涉及一種計(jì)算聚合物油田化學(xué)劑的溶解度參數(shù)。
背景技術(shù)：
化學(xué)物質(zhì)的溶解度參數(shù)在石油化工行業(yè)應(yīng)用廣泛。比如在油田化學(xué)領(lǐng)域，為了保護(hù)油層，防止聚合物油田化學(xué)劑可能引起的油層污染，因此在選擇聚合物或者溶劑時(shí)，都應(yīng)事先考慮它們的水溶性或酸可溶性，這就要求必需了解它們的溶解度參數(shù)。化學(xué)物質(zhì)溶解度參數(shù)是決定化學(xué)物質(zhì)是否相容的重要因素，因而決定了它在油田化學(xué)領(lǐng)域中的重要性。獲得化學(xué)物質(zhì)溶解度參數(shù)的通常做法是查閱化學(xué)手冊(cè)或者直接實(shí)驗(yàn)，然而，相當(dāng)多的化學(xué)物質(zhì)是化學(xué)手冊(cè)中所沒有的，而做實(shí)驗(yàn)既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，還消耗大量的實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)。因此通過計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算化學(xué)物質(zhì)的溶解度參數(shù)來(lái)解決工業(yè)應(yīng)用問題是一個(gè)非常好的選擇。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)中很多化學(xué)物質(zhì)的溶解度參數(shù)無(wú)法通過實(shí)驗(yàn)獲得或者實(shí)驗(yàn)工作量巨大的缺點(diǎn)，本發(fā)明提供一種利用計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算化學(xué)物質(zhì)溶解度參數(shù)的方法。本發(fā)明方法所采用的計(jì)算機(jī)模擬軟件為Materials Studio (以下簡(jiǎn)寫為MS),該軟件是美國(guó)Accelrys公司研發(fā)、中國(guó)創(chuàng)騰科技有限公司(ht tp://www. neotrident, com)代理的一種計(jì)算機(jī)模擬軟件。MS是專門為材料科學(xué)領(lǐng)域研究者開發(fā)的一款可運(yùn)行在PC上的模擬軟件，支持Windows 98、2000、NT、Unix以及Linux等多種操作平臺(tái)。本發(fā)明提供的利用計(jì)算機(jī)模擬軟件計(jì)算化學(xué)物質(zhì)溶解度參數(shù)的方法包括以下步驟(I)利用MS軟件的Visualizer模塊畫出待計(jì)算化學(xué)物質(zhì)的分子模型，作為基本的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)文件；(2)利用MS軟件的Discover模塊中的Minimize程序?qū)Σ襟E(I)中的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)文件進(jìn)行能量最小化處理，得到經(jīng)能量最小化處理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)文件；(3)利用MS軟件的Amorphous cell模塊中的construction程序?qū)Σ襟E(2)中經(jīng)能量最小化處理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)文件進(jìn)行待計(jì)算化學(xué)物質(zhì)無(wú)定形聚集體晶胞結(jié)構(gòu)的建立；(4)利用MS軟件的Amorphous cell模塊中的Minimize程序或Discover模塊中的Minimize程序?qū)Σ襟E(3)中所建立的待計(jì)算化學(xué)物質(zhì)無(wú)定形聚集體晶胞結(jié)構(gòu)進(jìn)行能量最小化處理，得到初步的能量最小化構(gòu)象；(5)利用MS軟件的Amorphous cell模塊中的Dynamics程序或Discover模塊中的Dynamics程序?qū)Σ襟E(4)中經(jīng)能量最小化處理后的待計(jì)算化學(xué)物質(zhì)無(wú)定形聚集體晶胞結(jié)構(gòu)進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得到分子動(dòng)力學(xué)軌跡文件；(6)利用MS軟件Amorphous cell模塊中的analysis程序進(jìn)行對(duì)步驟(5)中得到的分子動(dòng)力學(xué)軌跡文件或選擇該軌跡文件中的能量最小化構(gòu)象進(jìn)行分析，得到待計(jì)算化學(xué)物質(zhì)的內(nèi)聚能密度，對(duì)該密度值取平方根即是待計(jì)算化學(xué)物質(zhì)的溶解度參數(shù)。在所述步驟(2)中對(duì)所述結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)文件進(jìn)行能量最小化處理時(shí)，可選用SmartMinimize 方法、Steepest Descent 方法、Conjugate Gradient 方法和 Newton 方法中的一種，力場(chǎng)可選用Compass力場(chǎng)、PCFF力場(chǎng)、Dreiding力場(chǎng)、universal力場(chǎng)和CVFF力場(chǎng)中的一種，范德華力和靜電力的截取距離(cutoff distance)設(shè)定為6A~20人,優(yōu)選9λ~ 15人,計(jì)算步數(shù)為1000-100000步，優(yōu)選5000-50000步。在所述步驟(3)中建立所述無(wú)定形聚集體晶胞結(jié)構(gòu)時(shí)，待計(jì)算化學(xué)物質(zhì)的分子個(gè)數(shù)可以根據(jù)分子的大小選擇1-800個(gè)，優(yōu)選1-500個(gè)，設(shè)定的溫度在200Κ-600Κ之間，優(yōu)選300Κ-500Κ,晶胞結(jié)構(gòu)的密度設(shè)定為O. 5-1. 2g/cm3之間，優(yōu)選O. 6-1. Og/cm3,晶胞類型選擇周期性晶胞，力場(chǎng)選用與步驟2相同的力場(chǎng)。在所述步驟(4)中用Minimize程序?qū)λ龃?jì)算化學(xué)物質(zhì)無(wú)定形聚集體晶胞結(jié)構(gòu)進(jìn)行能量最小化處理時(shí)，計(jì)算步數(shù)為1000-100000步，優(yōu)選5000-50000步，其它方法或參數(shù)的設(shè)置同步驟(2)。 在所述步驟(5)中用Dynamics程序?qū)λ龃?jì)算化學(xué)物質(zhì)無(wú)定形聚集體晶胞結(jié)構(gòu)進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)，可采用NVE、NVT和NPT系綜中的一種，優(yōu)選NPT系綜，溫度設(shè)定在200K-800K之間，優(yōu)選300K-600K，溫度計(jì)算方法選用Andersen方法、VelocityScale方法、Nose方法和Berendsen方法中的一種，力場(chǎng)選用與步驟2相同的力場(chǎng)，范德華力和靜電力的截取距離(cutoffdistance)設(shè)定為6人~ 20A,優(yōu)選9A ~ 15Λ^最優(yōu)選IlA -14Α,時(shí)間步長(zhǎng)為I飛秒(fs)，總模擬時(shí)間為50-5000皮秒(PS)，優(yōu)選100-2000皮秒，壓力設(shè)定為0. OOOlGPa，結(jié)果記錄文件可以設(shè)置為每計(jì)算100-1000步輸出一個(gè)構(gòu)象，保存于分子動(dòng)力學(xué)軌跡文件中。在所述步驟(6)中用利用Amorphous cell模塊中的analysis程序進(jìn)行分析時(shí)，所用的分析對(duì)象為步驟(5)所得到的分子動(dòng)力學(xué)軌跡文件，也可通過MS軟件生成的能量進(jìn)展曲線(energy evolution)找到分子動(dòng)力學(xué)軌跡文件中的最低能量構(gòu)象作為分析對(duì)象。在本發(fā)明計(jì)算方法中，當(dāng)需要設(shè)定隨機(jī)數(shù)種子時(shí)，均采用系統(tǒng)缺省設(shè)定值。在不同版本的MS軟件中，在本發(fā)明方法中計(jì)算時(shí)所調(diào)用的模塊或程序會(huì)有少許的不同，但不會(huì)影響本發(fā)明方法解決化學(xué)物質(zhì)溶解度參數(shù)計(jì)算的技術(shù)難題。利用本發(fā)明方法與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法相比具有以下明顯的優(yōu)點(diǎn)(I)測(cè)定范圍廣，任意化學(xué)物質(zhì)的溶解度參數(shù)均可計(jì)算，無(wú)論其結(jié)構(gòu)如何復(fù)雜，只要有這種物質(zhì)存在，就可以計(jì)算，解決了實(shí)驗(yàn)中無(wú)法完成的難題。而且，這一方法還可以推廣到任何溫度下的溶解度參數(shù)的計(jì)算。(2)實(shí)驗(yàn)材料易于在計(jì)算機(jī)上建立分子模型，只要存在這種結(jié)構(gòu)，就可以通過計(jì)算機(jī)得到它的構(gòu)象，避免了在實(shí)驗(yàn)上找不到實(shí)驗(yàn)原料的問題。(3)計(jì)算迅速，且操作簡(jiǎn)單，幾小時(shí)的時(shí)間就可以算出結(jié)果，減少了繁重的實(shí)驗(yàn)工作量。(4)設(shè)備要求低，在普通的PC機(jī)上即可進(jìn)行計(jì)算，不需要進(jìn)行購(gòu)買大量的實(shí)驗(yàn)設(shè)備,節(jié)省了大量的實(shí)驗(yàn)成本。(5)計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，與理論值非常接近，相對(duì)誤差小。
具體實(shí)施例方式下面通過實(shí)施例1-9來(lái)進(jìn)一步理解本發(fā)明的技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)。在此所采用的MS軟件的版本為4. 4，然而本發(fā)明并不限于使用此版本，任何版本具有本申請(qǐng)所用到的模塊和程序的MS軟件皆可適用。在實(shí)施例1-9中所使用的計(jì)算方法及參數(shù)分別編號(hào)如下步驟(2)-(5)中所使用的同一力場(chǎng)
Compass 力場(chǎng)L-1PCFF 力場(chǎng)L-2Dreiding 力場(chǎng)L-3universal 力場(chǎng)L_4CVFF 力場(chǎng)L-5步驟⑵、⑷中所使用的Minimize方法Smart Minimize 方法M-1Steepest Descent 方法M_2Conjugate Gradient 方法M_3Newton 方法M_4步驟(5)中所使用的模塊Amorphous cell 模塊D_1Discover 模塊D_2步驟(5)中所使用的溫度計(jì)算方法Andersen 方法W-IVelocity Scale 方法W-2Nose 方法W-3Berendsen 方法W-4步驟(6)中所使用的分析對(duì)象分子動(dòng)力學(xué)軌跡文件F-I利用能量進(jìn)展曲線找到的最低能量構(gòu)象F-2實(shí)施例I(I)利用MS軟件的Visualizer模塊畫出己烷分子，作為基本的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)文件，命名為 hexane, xsd。(2)利用MS軟件的Discover模塊中的Minimize程序?qū)exane, xsd進(jìn)行能量最小化處理，先在Discover模塊中的Setup程序選擇Compass力場(chǎng)，范德華力和靜電力的截
取距離(cutoff distance)設(shè)定為9. 5人，然后在Minimize中程序中選用Smart Minimize
方法，計(jì)算步數(shù)為10000步,得到結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)文件,命名為hexanel. xsd。(3)利用 MS 軟件的 Amorphous cell 模塊中的 construction 程序?qū)?hexanel. xsd進(jìn)行己烷聚集體晶胞結(jié)構(gòu)的建立，溫度設(shè)為300K，密度設(shè)為0. 6g/cm3,晶胞類型選擇周期性晶胞，選擇30個(gè)己燒分子,力場(chǎng)選用Compass力場(chǎng),得到30個(gè)己燒分子聚集體的晶胞結(jié)構(gòu)，命名為結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)文件hexanel. xtd。(4)利用MS軟件的Amorphous cell模塊中的Minimize程序?qū)λ⒌木ОY(jié)構(gòu)hexanel. xtd進(jìn)行能量最小化處理，計(jì)算步數(shù)為10000，其它方法或參數(shù)的設(shè)置同步驟(2)，得到初步的能量最小化構(gòu)象，命名為結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)文件hexane2. xtd ；(5)利用MS軟件的Discover模塊中的Dynamics程序?qū)ОY(jié)構(gòu)hexane2. xtd進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，采用NPT系綜，Andersen方法，溫度設(shè)定為300K，壓力設(shè)定為O. OOOlGPa，選用的力場(chǎng)同步驟(2)，時(shí)間步長(zhǎng)為I飛秒(fs)，總模擬時(shí)間為500皮秒(ps)，范德華力和靜電力的截取距離(cutoff distance)設(shè)定為13. 5人，每計(jì)算500步輸出一個(gè)構(gòu)象，保存于分子動(dòng)力學(xué)軌跡文件中，命名為結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)文件hexane3. xtd ；(6)利用 Amorphous cell 模塊中的 analysis 對(duì) hexane3. xtd 進(jìn)行分析，通過 MS軟件生成的能量進(jìn)展曲線(ennergy evolution)找到其最低能量構(gòu)象,命名為結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)文件hexane4. xtd,用該最低能量構(gòu)象得到該物質(zhì)的內(nèi)聚能密度為55. 4338cal/cm3,對(duì)該值取平方根即是該物質(zhì)的溶解度參數(shù)值7. 44539 (cal/cm3)1/2，與文獻(xiàn)值7. 4 (cal/cm3)1/2 一致，相對(duì)誤差為0. 6%。
實(shí)施例2-9按照與實(shí)施例I相同的步驟分別計(jì)算苯分子、鄰苯二甲酸二辛酯(DOP)分子、苯偏三酸三辛酯(TOTM)分子、環(huán)氧大豆油(ESO)分子、聚合度為2000的聚氯乙烯(PVC)分子、乙醇分子、甲酸分子、苯酚分子的溶解度參數(shù)，標(biāo)記為實(shí)施例2-9。在實(shí)施例1-9的各步驟中所選用的程序、方法、各個(gè)參數(shù)的設(shè)定以及最終溶解度參數(shù)的計(jì)算結(jié)果和誤差列于表1，實(shí)施例2-9步驟(5)中溫度設(shè)定值、壓力設(shè)定值、輸出一個(gè)構(gòu)象的計(jì)算步數(shù)和時(shí)間步長(zhǎng)同實(shí)施例2，均為300K、0. 0001GPa、500步和lfs。雖然本發(fā)明已通過所述實(shí)施例公開，然而這些實(shí)施例并非用以限定本發(fā)明，任何本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域中的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，應(yīng)當(dāng)可以作各種的變動(dòng)與修改。本實(shí)施例中所計(jì)算分子的結(jié)構(gòu)及其溶解度參數(shù)的理論值可參見復(fù)旦大學(xué)出版社于1990年10月出版的《高分子物理》或化學(xué)工業(yè)出版社于2002年9月出版的《增塑劑及其應(yīng)用》。表I
權(quán)利要求
1.ー種利用計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算溶解度參數(shù)的方法，包括以下步驟(1)利用MaterialsStudio軟件的Visualizer模塊畫出待計(jì)算化學(xué)物質(zhì)的分子模型，作為基本的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)文件；(2)利用MaterialsStudio軟件的Discover模塊中的Minimize程序?qū)Σ襟E(I)中的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)文件進(jìn)行能量最小化處理，得到經(jīng)能量最小化處理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)文件；(3)利用Materials Studio 軟件的 Amorphous cell 模塊中的 construction 程序?qū)Σ襟E(2)中經(jīng)能量最小化處理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)文件進(jìn)行待計(jì)算化學(xué)物質(zhì)無(wú)定形聚集體晶胞結(jié)構(gòu)的建立；(4)利用Materials Studio 軟件的 Amorphous cell 模塊中的 Minimize 程序或Discover模塊中的Minimize程序?qū)Σ襟E(3)中所建立的待計(jì)算化學(xué)物質(zhì)無(wú)定形聚集體晶胞結(jié)構(gòu)進(jìn)行能量最小化處理，得到初歩的能量最小化構(gòu)象； (5)利用Materials Studio 軟件的 Amorphous cell 模塊中的 Dynamics 程序或Discover模塊中的Dynamics程序?qū)Σ襟E(4)中經(jīng)能量最小化處理后的待計(jì)算化學(xué)物質(zhì)無(wú)定形聚集體晶胞結(jié)構(gòu)進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得到分子動(dòng)力學(xué)軌跡文件；(6)利用MaterialsStudio軟件Amorphous cell模塊中的analysis程序進(jìn)行對(duì)步驟(5)中得到的分子動(dòng)力學(xué)軌跡文件或選擇該軌跡文件中的能量最小化構(gòu)象進(jìn)行分析，得到待計(jì)算化學(xué)物質(zhì)的內(nèi)聚能密度，對(duì)該密度值取平方根即是待計(jì)算化學(xué)物質(zhì)的溶解度參數(shù)。
2.按照權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，在所述步驟(2)進(jìn)行能量最小化處理時(shí)，選用 Smart Minimize 萬(wàn)法、Steepest Descent 萬(wàn)法、Conjugate Gradient 萬(wàn)法和Newton方法中的一種，力場(chǎng)選用Compassカ場(chǎng)、PCFFカ場(chǎng)、Dreidingカ場(chǎng)、universalカ場(chǎng)和CVFF力場(chǎng)中的ー種，范德華力和靜電カ的截取距離設(shè)定在6A ~ 2OA之間，計(jì)算步數(shù)為1000-100000 歩。
3.按照權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，在所述步驟(3)中建立所述無(wú)定形聚集體晶胞結(jié)構(gòu)時(shí)，選擇1-800個(gè)待計(jì)算化學(xué)物質(zhì)的分子，設(shè)定的溫度在200K-600K之間，晶胞結(jié)構(gòu)的密度為0. 5-1. 2g/cm3之間，晶胞類型選擇周期性晶胞，力場(chǎng)選用Compassカ場(chǎng)、PCFFカ場(chǎng)、Dreidingカ場(chǎng)、universalカ場(chǎng)和CVFF力場(chǎng)中的一種。
4.按照權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，在所述步驟(4)中進(jìn)行能量最小化處理時(shí)，選用 Smart Minimize 方法、Steepest Descent 方法、Conjugate Gradient 方法和Newton方法中的一種，力場(chǎng)選用Compassカ場(chǎng)、PCFFカ場(chǎng)、Dreidingカ場(chǎng)、universal力場(chǎng)和CVFFカ場(chǎng)中的ー種，范德華カ和靜電カ的截取距離設(shè)定為6A~20A,計(jì)算步數(shù)為1000-100000 歩。
5.按照權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，在所述步驟(5)中用Dynamics程序進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)，采用NVE、NVT和NPT系綜中的ー種，溫度設(shè)定在200K-800K之間，溫度計(jì)算方法選用Andersen方法、Velocity Scale方法、Nose方法和Berendsen方法中的一種，力場(chǎng)選用Compassカ場(chǎng)、PCFFカ場(chǎng)、Dreidingカ場(chǎng)、universalカ場(chǎng)和CVFF力場(chǎng)中的ー種，范德華カ和靜電カ的截取距離設(shè)定為6A~ 20A,時(shí)間步長(zhǎng)為I飛秒(fs)，總模擬時(shí)間為50-5000皮秒(ps)，壓カ設(shè)定為0. OOOlGPa，結(jié)果記錄文件設(shè)置為每計(jì)算100-1000步輸出ー個(gè)構(gòu)象。
6.按照權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，在所述步驟(5)中，采用NPT系綜。
7.按照權(quán)利要求5所述的方法，其特征在干，范德華力和靜電カ的截取距離設(shè)定為9A~15A。
8.按照權(quán)利要求I所述的方法,其特征在于,在所述步驟(6)中用利用Amorphouscell模塊中的analysis程序進(jìn)行分析時(shí)，所選擇的分析對(duì)象為步驟(5)所得到的分子動(dòng)力學(xué)軌跡文件。
9.按照權(quán)利要求I所述的方法,其特征在于,在所述步驟(6)中用利用Amorphouscell模塊中的analysis程序進(jìn)行分析時(shí)，通過MS軟件生成的能量進(jìn)展曲線找到所述分子動(dòng)カ學(xué)軌跡文件中的最低能量構(gòu)象作為分析対象。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種利用計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算化學(xué)物質(zhì)溶解度參數(shù)的方法，該方法包括構(gòu)建待計(jì)算化學(xué)物質(zhì)的分子模型并進(jìn)行能量最小化計(jì)算；構(gòu)建待計(jì)算化學(xué)物質(zhì)無(wú)定形聚集體的晶胞結(jié)構(gòu)，對(duì)該晶胞結(jié)構(gòu)進(jìn)行能量最小化計(jì)算和分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算，計(jì)算得到該化學(xué)物質(zhì)的內(nèi)聚能密度，對(duì)其取平方根得到溶解度參數(shù)。本發(fā)明方法計(jì)算快速、結(jié)果準(zhǔn)確，適于解決石油化工行業(yè)不同物質(zhì)間相容性不易判斷的技術(shù)難題。
文檔編號(hào)G06F17/50GK102831256SQ201110161790
公開日2012年12月19日 申請(qǐng)日期2011年6月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月16日
發(fā)明者任強(qiáng), 房韡, 代振宇, 周涵 申請(qǐng)人:中國(guó)石油化工股份有限公司, 中國(guó)石油化工股份有限公司石油化工科學(xué)研究院