【COSMOlogic应用实例】COSMOtherm软件在化工热力学教学中的应用

1.1 COSMO-RS理论、化学位计算原理简介

量子化学的发展使计算模拟分子结构成为可能，开拓了由微观结构预测宏观性质的道路，即通过估算分子间相互作用强度、能量传递，模拟分析理化变量的性质。COSMOthe珊软件用到的类导体屏蔽模型(COSMO-RS)是对连续溶剂化模型(COSMO)的发展，运用了局部组成的概念，可以预测纯流体及流体混合物的热力学平衡性质。计算流程如图1所示，首先运用量子化学原理求出溶液各组分在真空中能量最低态(即电荷分布平衡态)下分子的优化结构，得到表面电荷分布，并将极化电荷密度转化为分布函数pi(δ)(即δ-profile及δ-potential)。这个函数描述了分子间的相互作用能，据此可以求出溶剂化的影响。结合结构的电荷分布和溶剂化的影响，就能求出组分i在溶剂S中的化学位us。再经过统计热力学处理，就可以求出其余热力学性质。

1.2 与化学位相关热力学性质计算

求出化学位之后根据热力学函数定义、Maxwell关系式转换及偏摩尔性质计算关系等，可以用关于化学位u及P、V、T的函数表示宏观热力学函数S、U、H、A、G及各自的偏摩尔量等，如图2所示。

2.1 汽液平衡计算

以两相体系为例，恒温下相平衡判据为：

汽液平衡可用逸度关系表示为fiV=fiL，教材中将两相逸度分别用EOS法或γ，法表示，再解方程得出T—p—x—y对应关系。COSM0therm直接从化学位判据出发，先求出u，就可以进一步求出活度系数等相平衡数据(参见表1)。基于化学位计算结果，可以求出体系总压、组分活度系数和汽相分率等。我们以乙醇一水体系为例计算汽液平衡数据(表2)，并比较cosMOthenn计算和Aspen实验获得的相图(图3)。

对比COSMOtherm模拟数据与Aspen实验数据库可以发现313.15K时乙醇一水体系恒沸组成在O.1附近，模拟结果与实验数据基本吻合，相图变化趋势也相同。所以利用该软件预测混合体系汽液相平衡数据，能为实验工作提供有价值的参考。

2.2 蒸汽压计算

COSMO计算蒸汽压公式形式与Antoine方程类似，但着眼于相平衡过程对应的能量关系，蒸汽压的计算本质上还是化学位的计算。溶剂S中组分i的气相分压Pi御取决于溶剂和气相中该组分吉布斯自由能的差值，并且与温度正相关。

因此我们可以通过计算化学位差us-ugas及EiCOSMO求出给定状态下纯物质和混合物的饱和蒸气压，并且这种方法是通用的，不需要查参数A、B、C的值(见表3)。也就是说，对于任意物质(纯物质或混合物体系)，只要知道其组成和相应分子结构，我们就能通过量子化学计算求出各自的化学位，进而预测体系蒸汽压分布曲线。

由表4，COSMOtherm直接计算0—100℃纯水的饱和蒸汽压时，相对误差达到近27％，说明纯理论模拟虽然可以估算蒸汽压范围，但是误差较大。如表5所示，当引人少了实验数据点校正后，COSMO模拟数据与实验数值高度吻合。因此，COsMOtlle珊虽然可以独立预测溶液体系热力学数据，但如有精度要求，仍需要添加实验数据加以校正。

传统化工热力学教学中定义多，公式复杂，概念抽象，知识点比较零散，学生在结合物理意义理解时感觉十分吃力。而COSMOthe瑚把众多热力学性质的计算统一到化学位的计算，使得繁杂的概念有了共同的物理意义的支撑，便于学生关联理解和记忆。

该模型包含三个COSMOtherm组件，使用COSMO-RS方法预测广泛的性质。

可以计算纯液体的性质，如密度、沸点、闪点、分配系数，以及混合性质，如汽液平衡、液液平衡、溶解度、蒸气压、活度系数等。在工作流环境中集成COSMOtherm提高了COSMO-RS方法的筛选潜力。

可以筛选大量溶质、溶剂或溶剂混合物的性质，例如药物在大量溶剂中的溶解度。

COSMOconf组件是一个conformer生成工具。您可以使用预定义的标准过程来为cosmors生成最相关的符合器，也可以使用您自己的过程。

这一成分预测了溶质通过生物膜的渗透性。您可以选择一套预先定义的膜系统或使用自己的膜。

该组件提供了COSMO-RS方法的COSMOplex扩展。可以用它来计算非均匀系统的性质，例如，界面张力或临界胶束浓度，或创建新的生物膜系统。

COSMOquick碎片化技术可作为cosmors计算的一种快捷方法。该组件还可以用于应用预定义的QSPR模型或计算唯一的化学描述符。

该模型提供了一个组件，您可以使用TURBOMOLE1®程序包执行量子化学计算。

可以将COSMO数据库集成在Pipeline试点中使用。这适用于BIOVIA COSMObase以及您自己的自定义COSMO文件数据库。一个特殊的组件可用于复合数据访问。

溶剂化化学组分模型提供了一对读者和实用程序。可以使用COSMO文件读取器和TURBOMOLE coord文件读取器来访问特定的文件格式。预调节器可以帮助您确保正确设置其他组件所需的相关属性。

基于BIOVIA Materials Studio材料设计平台，提供涉及电池、航空航天、国防军工、建筑、涂料涂层等多领域材料研发软件及综合解决方案。

针对药物设计、药物研发等提供基于Discovery Studio、COSMOLOGIC等软件的ADME、构象比对、溶剂筛选、结晶、成盐、共晶筛选、稳定性、溶解度pKa、分配系数等性质的模拟预测软件及方案。

面向精细化工、新能源、石油化工等领域提供精馏萃取催化剂设计、热力学性质（溶解度、粘度等）、提纯表面处理吸附等性质模拟软件平台及解决方案。

基于Pipeline Pilot提供数据搜集、数据清洗、特征工程、机器学习、流程设计等多种数据挖掘综合解决方案。

• 实验室信息管理

• 电子实验记录本/SOP执行

• 试剂耗材管理

• 仪器管理

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• Crystal: 固体化学和物理性质计算软件

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