Coloquio de supercómputo 2020 · 2020. 11. 12. · Coloquio de supercómputo 2020 Las simulaciones...
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Coloquio de supercómputo 2020 Las simulaciones de DM se realizaron utilizando Gromacs v5.14 en el Laboratorio Nacional de Cómputo de Alto Desempeño (LANCAD). El sistema consiste en una región de 256 moléculas de CH 4 , seguida de 736 moléculas de H 2 O y finalmente 4x2x2 celdas unitarias de hidrato de metano sI, (736 moléculas de H 2 O y 128 moléculas de CH 4 ). La configuración inicial se genera con Packmol [2] y datos cristalográficos [3]. Modelos: TIP4P/Ice [4] y OPLS-UA [5]. Técnicas: Leap-Frog, LINCS, PME, PBC, Nosé-Hoover y Parrinello-Rahman. Etapa 1 (Equilibración): colectivo NPT (1000 ns) a 260 K y 40, 80 y 340 bar. Etapa 2 (Simulated annealing): Rampas de 0.025 K/ns por 1600 ns hasta 305 K para cada presión. En cada rampa de 200 ns, 100 ns se incrementa la temperatura y 100 ns se mantiene la temperatura final. Rampas de 0.2 K/ns por 200 ns hasta llegar a 325 K. Etapa 3 (Análisis): Energía potencial, snapshots, RDF, densidades parciales, MSD, número de HB y los parámetros de orden F 3 y F 4 . Estimar la energía de activación, a partir de la velocidad de desaparición de los HB para cada rampa y ajustar las velocidades de disociación a la ecuación de Arrhenius. Análisis de la descomposición de hidratos de metano en sistemas líquido-hidrato-gas usando simulaciones de Dinámica Molecular. Florianne Castillo Borja Ulises I. Bravo Sánchez Instituto Tecnológico de Aguascalientes Departamento Ing. Química y Bioquímica Introducción Los hidratos de gas son compuestos cristalinos constituidos por un enrejado de moléculas de agua unidas a través de puentes de hidrógeno formando cavidades de diferentes tamaños y geometrías. En su interior se alojan moléculas de algún gas huésped, como CH 4 o CO 2 . Ocurren en la industria de recuperación y procesamiento de gas natural y originan la obstrucción del flujo en las tuberías, generando accidentes muy graves [1]. La simulación molecular se ha convertido en una herramienta muy valiosa para estudiar la formación/descomposición de los hidratos de gas, resultando en información que ha complementado y orientado el trabajo experimental en el campo de estudio de los hidratos de gas. En este trabajo, el proceso de disociación de hidratos de metano es simulado con DM usando Gromacs v5.14 en el Laboratorio Nacional de Cómputo de Alto Desempeño (LANCAD). Utilizando una estrategia que implica rampas de calentamiento graduales desde un estado de coexistencia gas-líquido-hidrato hasta obtener un sistema gas-líquido. El proceso se analiza bajo diferentes métricas para detectar el punto de disociación del hidrato. Conclusiones • El monitoreo del efecto de la temperatura en las propiedades estructurales y termodinámicas del sistema permite detectar el punto de disociación del hidrato con errores del 0.31, 2.05 y 2.83 % para las presiones de 340, 80 y 40 bar, respectivamente, y una energía de activación de 89.9 kJ/mol. • La interfase gas-hidrato es la más susceptible a los cambios en la temperatura y donde comienza más rápidamente el proceso de descomposición. Para T< Temperatura de disociación experimental en la interfase líquido-hidrato es donde ocurre con mayor velocidad la nucleación de nuevas capas de hidrato. • Debido a las rampas de calentamiento graduales y la presencia de una fase gaseosa, esto permite atrapar a las moléculas de gas que son liberadas durante la descomposición del hidrato, por lo cual no se observan en las snapshots la formación y persistencia de burbujas durante la descomposición del hidrato. Bibliografía [1] Sloan, E. D., & Koh, C. A. (2007). Clathrate hydrates of natural gases (3rd ed.). CRC Press. [2] Martínez, L., Andrade, R., & Birgin, E.G., Martínez, J. M. (2012). Software News and Updates Gabedit — A Graphical User Interface for Computational Chemistry Softwares. Journal of Computational Chemistry, 30(13), 2157–2164. https://doi.org/10.1002/jcc.21224 [3] McMullan, R. K., & Jeffrey, G. A. (1965). Polyhedral clathrate hydrates. IX. Structure of ethylene oxide hydrate. The Journal of Chemical Physics, 42(8), 2725–2732. https://doi.org/10.1063/1.1703228 [4] Abascal, J. L. F., Sanz, E., Fernández-García, R., & Vega, C. (2005). A potential model for the study of ices and amorphous water: TIP4P/Ice. Journal of Chemical Physics, 122(23), 234511–234519. https://doi.org/10.1063/1.1931662 [5] Guillot, B., Guissani, Y., & Bratos, S. (1991). A computer-simulation study of hydrophobic hydration of rare gases and of methane. I. Thermodynamic and structural properties. The Journal of Chemical Physics, 95(5), 3643–3648. https://doi.org/10.1063/1.460815 Licencia creative commons Gas Hidrato Líquido 260K (0 ns) 285 K (800 ns) 300 K (1400 ns) 325 K (1800 ns) Desarrollo
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Coloquio de supercómputo 2020
Las simulaciones de DM se realizaron utilizando Gromacsv5.14 en el Laboratorio Nacional de Cómputo de Alto Desempeño (LANCAD).
El sistema consiste en una región de 256 moléculas de CH4, seguida de 736 moléculas de H2O y finalmente 4x2x2 celdas unitarias de hidrato de metano sI, (736 moléculas de H2O y 128 moléculas de CH4). La configuración inicial se genera con Packmol [2] y datos cristalográficos [3].
Modelos: TIP4P/Ice [4] y OPLS-UA [5].
Técnicas: Leap-Frog, LINCS, PME, PBC, Nosé-Hoover y Parrinello-Rahman.
Etapa 1 (Equilibración):colectivo NPT (1000 ns) a 260 K y 40, 80 y 340 bar.
Etapa 2 (Simulatedannealing): Rampas de 0.025 K/ns por 1600 ns hasta 305 K para cada presión. En cada rampa de 200 ns, 100 ns se incrementa la temperatura y 100 ns se mantiene la temperatura final. Rampas de 0.2 K/ns por 200 ns hasta llegar a 325 K.
Etapa 3 (Análisis): Energía potencial, snapshots, RDF, densidades parciales, MSD, número de HB y los parámetros de orden F3 y F4.
Estimar la energía de activación, a partir de la velocidad de desaparición de los HB para cada rampa y ajustar las velocidades de disociación a la ecuación de Arrhenius.
Análisis de la descomposición de hidratos de metano en sistemas líquido-hidrato-gas usando
simulaciones de Dinámica Molecular.
Florianne Castillo Borja
Ulises I. Bravo Sánchez
Instituto Tecnológico de Aguascalientes
Departamento Ing. Química y Bioquímica
Introducción
Los hidratos de gas son compuestos cristalinos constituidos por un enrejado de moléculas de agua unidas a través de puentes de hidrógeno formando cavidades de diferentestamaños y geometrías. En su interior se alojan moléculas de algún gas huésped, como CH4 o CO2. Ocurren en la industria de recuperación y procesamiento de gas natural yoriginan la obstrucción del flujo en las tuberías, generando accidentes muy graves [1]. La simulación molecular se ha convertido en una herramienta muy valiosa para estudiarla formación/descomposición de los hidratos de gas, resultando en información que ha complementado y orientado el trabajo experimental en el campo de estudio de loshidratos de gas.
En este trabajo, el proceso de disociación de hidratos de metano es simulado con DM usando Gromacs v5.14 en el Laboratorio Nacional de Cómputo de Alto Desempeño(LANCAD). Utilizando una estrategia que implica rampas de calentamiento graduales desde un estado de coexistencia gas-líquido-hidrato hasta obtener un sistema gas-líquido.El proceso se analiza bajo diferentes métricas para detectar el punto de disociación del hidrato.
Conclusiones
• El monitoreo del efecto de la temperatura en las propiedades estructurales y termodinámicas del sistema permite detectar el punto de disociación del hidrato con errores del 0.31, 2.05 y 2.83 % para las presiones de 340, 80 y 40 bar, respectivamente, y una energía de activación de 89.9 kJ/mol.
• La interfase gas-hidrato es la más susceptible a los cambios en la temperatura y donde comienza más rápidamente el proceso de descomposición. Para T< Temperatura de disociación experimental en la interfase líquido-hidrato es donde ocurre con mayor velocidad la nucleación de nuevas capas de hidrato.
• Debido a las rampas de calentamiento graduales y la presencia de una fase gaseosa, esto permite atrapar a las moléculas de gas que son liberadas durante la descomposición del hidrato, por lo cual no se observan en las snapshots la formación y persistencia de burbujas durante la descomposición del hidrato.
Bibliografía[1] Sloan, E. D., & Koh, C. A. (2007). Clathrate hydrates of natural gases (3rd ed.). CRC Press.
[2] Martínez, L., Andrade, R., & Birgin, E.G., Martínez, J. M. (2012). Software News and Updates Gabedit — A Graphical User Interface for Computational Chemistry Softwares. Journal of Computational Chemistry, 30(13), 2157–2164. https://doi.org/10.1002/jcc.21224
[3] McMullan, R. K., & Jeffrey, G. A. (1965). Polyhedral clathrate hydrates. IX. Structure of ethylene oxide hydrate. The Journal of Chemical Physics, 42(8), 2725–2732. https://doi.org/10.1063/1.1703228
[4] Abascal, J. L. F., Sanz, E., Fernández-García, R., & Vega, C. (2005). A potential model for the study of ices and amorphous water: TIP4P/Ice. Journal of Chemical Physics, 122(23), 234511–234519. https://doi.org/10.1063/1.1931662
[5] Guillot, B., Guissani, Y., & Bratos, S. (1991). A computer-simulation study of hydrophobic hydration of rare gases and of methane. I. Thermodynamic and structural properties. The Journal of Chemical Physics, 95(5), 3643–3648. https://doi.org/10.1063/1.460815
Licencia creative commons
Gas HidratoLíquido
260K (0 ns) 285 K (800 ns)
300 K (1400 ns) 325 K (1800 ns)
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