Возможности информационно-вычислительного комплекса...
DESCRIPTION
Возможности информационно-вычислительного комплекса PhDi для расчета парожидкостного равновесия. Лаборатория химической термодинамики, Кафедра физической химии, Химический факультет, МГУ. Схема работы программного комплекса для расчета равновесий жидкость-пар. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
Возможности информационно-вычислительного комплекса PhDi для расчета парожидкостного равновесия
Лаборатория химической термодинамики, Кафедра физической химии, Химический факультет, МГУ
Входные данные - критические свойства веществ
Параметры уравнений состояния
Избыточные значения характеристических функций
Расчет фазовой диаграммы методом выпуклых оболочек
Схема работы программного комплекса для расчета равновесий жидкость-пар
Цель работы
• Проанализировать различные системы на совместимость экспериментальных данных по равновесию между жидкостью и паром с фазовыми диаграммами, построенными с помощью PhDi с использованием кубических уравнений состояния Ван-дер-Ваальса, Редлиха-Квонга, Пенга-Робинсона и Соава.
• Оценить возможность использования данных уравнений для описания различного рода систем.
Эмпирические уравнения состояния
(1873)
(1949)
(1972)
(1976)
Теоретические уравнения состояния
Уравнение состояния Карнахана-Старлинга(1972)
Рис. 1. Диаграмма кубического уравнения состояния в двухфазной области
VпVж
Уравнение Ван-дер-Ваальса
Уравнение Редлиха-Квонга
Уравнение Пенга-Робинсона
Уравнение Соава
Соотношение для расчета избыточного значения энергии Гиббса:
Соотношение для расчета избыточного значения энергии Гельмгольца:
Уравнение Ван-дер-Ваальса
Уравнение Редлиха-Квонга
Уравнение Пенга-Робинсона
Уравнение Соава
1)Азот + др. газы
Рис.1. T-x диаграмма системы азот-аргон (P=1,177 bar)
N2+Ar, N2+CO2, N2+NH3, N2+O2, N2+SO2, H2+N2
Границы фазОсобые точкиSoavePeng-Robinson (PR)Экспериментальные данныеRedlich-Kw ong (RK)
nitrogen+argonT, K
X
10,90,80,70,60,50,40,30,20,10
92
91
90
89
88
87
86
85
84
83
82
81
80
79
PR
Soave
RK
В.Б. Коган, В.М. Фридман, В.В. Кафаров “Равновесие между жидкостью и паром”, 1966
Рис. 2. P-x диаграмма системы азот-кислород (T=78,35 K)
Границы фазОсобые точкиSoavePeng-Robinson (PR)Экспериментальные данныеRedlich-Kw ong (RK)
nitrogen+oxygenp, бар
X
10,90,80,70,60,50,40,30,20,10
1,1
1,05
1
0,95
0,9
0,85
0,8
0,75
0,7
0,65
0,6
0,55
0,5
0,45
0,4
0,35
0,3
0,25
0,2
0,15
PRSoave
RK
В.Б. Коган, В.М. Фридман, В.В. Кафаров “Равновесие между жидкостью и паром”, 1966
2) углеводород + углеводород, H2S, H2, CO, CO2
Рис.3. P-x диаграмма системы метан-сероводород (T=277,55 K)
Границы фазОсобые точкиSoavePeng-Robinson (PR)Экспериментальные данныеRedlich-Kw ong (RK)van der Waals
methane+hydrogen sulfidep, бар
X
0,70,60,50,40,30,20,10
130
125
120
115
110
105
100
95
90
85
80
75
70
65
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
PR
Soave
RK
van der Waals
В.Б. Коган, В.М. Фридман, В.В. Кафаров “Равновесие между жидкостью и паром”, 1966
Рис. 4. P-x диаграмма системы водород-бензол (T=298,15 K)
Границы фазОсобые точкиSoaveRedlich-Kw ong (RK)Экспериментальные данные
hydrogen+benzenep, бар
X
10,90,80,70,60,50,40,30,20,10
1 000
950
900
850
800
750
700
650
600
550
500
450
400
350
300
250
200
150
100
50
RK
Soave
RK
Soave
В.Б. Коган, В.М. Фридман, В.В. Кафаров “Равновесие между жидкостью и паром”, 1966
Рис. 5. P-x диаграмма системы углекислый газ-циклогексан (T=473,15 K)
Границы фазОсобые точкиSoavePeng-Robinson (PR)Экспериментальные данныеRedlich-Kw ong (RK)
carbon dioxide+cyclohexanep, бар
X
0,60,50,40,30,20,10
130
125
120
115
110
105
100
95
90
85
80
75
70
65
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
RK
PRSoave
В.Б. Коган, В.М. Фридман, В.В. Кафаров “Равновесие между жидкостью и паром”, 1966
Рис. 6. P-x диаграмма системы метан-пропан (T=293,15 К)
Границы фазОсобые точкиSoavePeng-Robinson (PR)Экспериментальные данныеRedlich-Kw ong (RK)
methane+n-propanep, бар
X
0,70,60,50,40,30,20,10
100
95
90
85
80
75
70
65
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
PRSoave
RK
В.Б. Коган, В.М. Фридман, В.В. Кафаров “Равновесие между жидкостью и паром”, 1966
Рис. 7. P-x диаграмма системы этилен-этан (T=277,55 К)
Границы фазОсобые точкиSoaveRedlich-Kw ong (RK)Экспериментальные данные
ethylene+ethanep, бар
X
0,90,80,70,60,50,40,30,20,1
45
44
43
42
41
40
39
38
37
36
35
34
33
32
31
30
29
28
27
RK
Soave
В.Б. Коган, В.М. Фридман, В.В. Кафаров “Равновесие между жидкостью и паром”, 1966
3) вода + неорганическое вещество
H2S+H2O, HCl+H2O, HF+H2O, SO2+H2O, Br2+H2O
4) вода + органическое вещество
H2O+formic acid, CH3OH+H2O, H2O+acetic acid, ethanol+H2O, acetone+H2O, H2O+propionic acid,
H2O+glycerol, H2O+pyridine
Границы фазОсобые точкиSoavePeng-Robinson (PR)Экспериментальные данные
ethanol+waterp, бар
X
0,90,80,70,60,50,40,30,20,10
9,8
9,6
9,4
9,2
9
8,8
8,6
8,4
8,2
8
7,8
7,6
7,4
7,2
7
6,8
6,6
6,4
6,2
6
5,8
5,6
5,4
5,2
5
PR
Soave
Рис. 8. P-x диаграмма системы этанол-вода (T=423,15 K)
В.Б. Коган, В.М. Фридман, В.В. Кафаров “Равновесие между жидкостью и паром”, 1966
Границы фазОсобые точкиSoavePeng-Robinson (PR)Экспериментальные данные
carbon disufide+carbon tetrachlorideT, K
X
10,90,80,70,60,50,40,30,20,10
350
348
346
344
342
340
338
336
334
332
330
328
326
324
322
320
PR Soave
Рис. 9. T-x диаграмма системы сероуглерод-тетрахлористый углерод (P=1,013 bar)
5) смеси органических веществ, не включая выше рассмотренные смеси углеводородов
CS2+CCl4,CHCl3+CCl4, acetone+CCl4, CCl4+benzene, CCl4+cyclohexane, CHCl3+ethanol, CHCl3+CH3OH, acetone+CHCl3, CH3OH+CH3NO2, benzene+CH3NO2, CH3OH+butanol, CH3OH+ethylacetate, CH3OH+benzene, ETHANOL+acetonitrile, benzene+acetonitirile, acetaldehyde+acetic acid
В.Б. Коган, В.М. Фридман, В.В. Кафаров “Равновесие между жидкостью и паром”, 1966
6) смеси газов, не включая смеси азотаCO2+H2S, NO+NO2, Cl2+NOCl, NH3+N2H4, H2+CO
Границы фазОсобые точкиSoavePeng-Robinson (PR)Экспериментальные данные
chlorine+chloronitrous acidT, K
X
10,90,80,70,60,50,40,30,20,10
270
268
266
264
262
260
258
256
254
252
250
248
246
244
242
240
238
PRSoave
Рис.10. T-x диаграмма системы хлор-хлористый нитрозил (P=1,013 bar)
В.Б. Коган, В.М. Фридман, В.В. Кафаров “Равновесие между жидкостью и паром”, 1966
Границы фазSoavePeng-Robinson (PR)Особые точкиЭкспериментальные данные
p-xylene+o-xyleneT, K
X
10,90,80,70,60,50,40,30,20,10
417,5
417
416,5
416
415,5
415
414,5
414
413,5
413
412,5
412
411,5
PR Soave
Rodrigues W.L., Mattedi S., Abreu J.C.N, Experimental vapor-liquid equilibria data for binary mixtures of xylene isomers, Braz. J. Chem. Eng., 22, No. 3, 453-462 (2005)
Рис. 12. T-x диаграмма системы п-ксилен – о-ксилен (P=1,0065 bar)
Границы фазSoavePeng-RobinsonОсобые точкиЭкспериментальные данные
m-xylene+o-xyleneT, K
X
10,90,80,70,60,50,40,30,20,10
417,5
417
416,5
416
415,5
415
414,5
414
413,5
413
412,5
PR Soave
Рис. 13. T-x диаграмма системы м-ксилен – о-ксилен (P=1,0065 bar)
Rodrigues W.L., Mattedi S., Abreu J.C.N, Experimental vapor-liquid equilibria data for binary mixtures of xylene isomers, Braz. J. Chem. Eng., 22, No. 3, 453-462 (2005)
Брусиловский А.И., “Фазовые превращения при разработке месторождений нефти и газа”
Границы фазОсобые точки230 K250 K270 K
methane+carbon dioxidep, бар
X
0,90,80,70,60,50,40,30,20,10
90
85
80
75
70
65
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
270 K
250 K
230 K
Рис. 14. P-x диаграмма системы метан-углекислый газ при различных температурах
Брусиловский А.И., “Фазовые превращения при разработке месторождений нефти и газа”
Границы фазОсобые точкиT=183,15 KT=172,05 KT=149,85 KT=113,75 K
nitrogen+methanep, бар
X
10,90,80,70,60,50,40,30,20,10
80
75
70
65
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
T=183,15 KT=172,05 K
T=149,85 K
T=113,75 K
Рис. 15. P-x диаграмма системы метан-азот при различных температурах
Брусиловский А.И., “Фазовые превращения при разработке месторождений нефти и газа”
Границы фазОсобые точкиT=344,15 KT=377,55 K
carbon dioxide+n-pentanep, бар
X
10,90,80,70,60,50,40,30,20,10
110
105
100
95
90
85
80
75
70
65
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
T=377,55 K
T=344,15 K
Рис. 16. P-x диаграмма системы углекислый газ-н-пентан, расчёт по Редлиху-Квонгу
Границы фазОсобые точкиmethane+n-propane (RK)methane+n-butane (RK)
p, бар
X
0,70,60,50,40,30,20,10
110
105
100
95
90
85
80
75
70
65
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
Брусиловский А.И., “Фазовые превращения при разработке месторождений нефти и газа”
Рис. 17. P-x диаграмма систем метан-н-пропан, метан-н-бутан
Выводы
Информационно-вычислительный комплекс PhDi с использованием уравнений состояния можно использовать для расчёта фазовых диаграмм различных систем. Для наиболее простых систем получена хорошая совместимость с экспериментальными данными.
Уравнение Редлиха-Квонга возможно использовать для
описания смесей углеводородов и углеводородов с простыми веществами, но лучше использовать его модификации. В некоторых областях их вытеснили уравнения Соава и Пенга-Робинсона, хотя для достижения высокой степени точности при применении указанных уравнений требуется существенно больший объем информации о компонентах смеси, в частности, данные об ацентрическом коэффициенте и параметрах бинарного взаимодействия.
Уравнения Соава и Пенга-Робинсона можно использовать для описания широкого круга смесей, однако лучшие результаты получены для смесей газов, смесей углеводородов, систем, содержащих углеводороды, азот, сероводород, монооксид углерода, диоксид углерода. Для смесей полярных веществ оба уравнения дают плохие результаты и требуют модификаций.
Выводы