六甲基二硅氧烷热分解机理研究

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随着经济社会的不断发展,能源环境问题日益严重。有机朗肯循环(ORC)能利用低品位能源,实现热功转换,从而有效地缓解能源和环境问题。低温ORC系统,循环效率低,热经济性差。采用中高温热源(150~350℃)的ORC系统,具有更高的热效率和输出功率。中高温ORC技术是目前的研究热点,受到广泛关注。硅氧烷工质具有低毒性、低可燃性、较高的临界温度等优点,被认为是中高温ORC系统最适合的工质之一。在中高温环境下,工质筛选首先要考虑其热稳定性和材料相容性,目前关于硅氧烷热解机理研究较少。本文采用Reax FF力场反应分子动力学方法和量子力学密度泛函理论(DFT)方法,研究了典型线型硅氧烷六甲基二硅氧烷(MM)的热稳定性和热解机理,研究内容如下:(1)纯MM分子热解起始反应路径有三条,包括C-Si键、C-H键、Si-O键断裂。C-Si键解离能能最低,为397.74k J/mol,是起始反应最优路径。CH4、八甲基三硅氧烷(MDM)、四甲基硅烷(TMS)是热解的主要产物。CH4主要由氢提取反应和自由基结合反应产生;MDM主要由缩聚反应产生;TMS主要由自由基结合反应产生。一级动力学分析MM热分解,其指前因子为3.5867×1015s-1,活化能为271.16 k J/mol。(2)MM氧化起始反应有三条,能垒分别为251.07 k J/mol、152.5 k J/mol和114.06 k J/mol。MM与氧气碰撞反应能垒均低于MM自身热分解能垒。OOCH3自由基、OOH自由基、O自由基、OH自由基、OCH3自由基和CH3自由基是氧化分解过程中生成的主要自由基。工质和自由基碰撞是链式反应的开端,反应能垒较低,进一步加速MM分子分解。(3)MM分子氧化分解的主要产物为CH4、CH4O、CH2O、CO、CO2、Si O和Si O2。O2的存在会加速MM分子的分解,且产物分布随着温度、氧气浓度变化。氧气浓度不同,其氧化分解机理不同。CH2O和CH4O生成路径相互竞争。观察到了13条Si O生成路径,7条CO生成路径和4条CH2O生成路径。(4)MM分子和润滑油混合物的热解过程中,主要产物有CH4、CO、CH2O、Si O、Si O2、硅烷。润滑油能大幅度降低MM分子热稳定性,其对工质的影响主要体现在润滑油分解产生的小自由基对MM分子碰撞。提高温度可以加速混合物中MM分子分解,加速产物中CH4分子、CO分子和硅烷的生成。
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