Два типа ограничений при моделировании химических процессов для повышенных давлений

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

В работе обсуждаются два типа ограничений использования существующих методов моделирования химических процессов при повышенных давлениях, обусловленные спецификой термодинамики в окрестности критической точки и некорректностью использования закона действующих масс при повышенных давлениях. Первый тип ограничений выделяет область термодинамических параметров вблизи окрестности критической области вещества, приводящих к замедлению процессов массопереноса вблизи критической области и к большим флуктуациям плотности при температурах ниже и выше критической, которые делают нецелесообразным реализацию технологических процессов в этих условиях. Анализ проведен с помощью молекулярной теории для неидеальных реакционных систем на основе модели решеточного газа. Второй тип ограничений определяет область термодинамических параметров при моделировании химических процессов для повышенных давлениях, для которых заметно расходится использование указанной молекулярной теории и закона действующих масс для идеальных систем.

Об авторах

Ю. К. Товбин

Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: tovbinyk@mail.ru
Россия, Москва

Е. В. Вотяков

CYENS centre of excellence

Email: tovbinyk@mail.ru
Кипр, Nicosia

Список литературы

  1. Батунер Л.М., Позин М.Е. Математические методы в химической технике. Л.: Химия 1968.
  2. Бенедик А., Ласло А. Научные основы химической технологии М.: Химия, 1970.
  3. Кафаров В.В., Ветохин В.Н., Бояринов А.И. Программирование и вычислительные методы в химии и химической технологии. М.: Наука, 1972.
  4. Кроу К. Математическое моделирование химических процессов. М.: Мир, 1973.
  5. Кафаров В.В. Методы кибернетики в химии и химической технологии. М.: Химия, 1976.
  6. Жоров Ю.М. Моделирование физико-химических процессов нефтепереработки и нефтехимии. М.: Химия, 1978.
  7. Бояринов А.И., Кафаров В.В. Методы оптимизации в химической технологии М.: Химия, 1980.
  8. Закгейм А.Ю. Введение в моделирование химико-технологических процессов. М.: Химия, 1982.
  9. Кафаров В.В., Глебов М.Б. Математическое моделирование основных процессов химических производств. М.: Высшая школа, 1991.
  10. Кулов Н.Н., Гордеев Л.С. Математическое моделирование в химической технологии и биотехнологии // Теор. основ хим. техн. 2014. Т. 48. № 3. С. 243.
  11. Товбин Ю.К. Методы моделирования химических процессов при повышенных давлениях и теория неидеальных реакционных систем // Теор. основ хим. техн. 2023. Т. 57. № 6. С. 736–755.
  12. Гоникбер М.Г. Химическое равновесие и скорость реакций при высоких давлениях. М.: изд-во АН СССР, 1960. 273 с.
  13. Жоров Ю.М. Кинетика промышленных органических реакций: справочник. М.: 1989. 384 с.
  14. https://e-him.ru/?page=dynamic§ion=63&article=1105
  15. Clausius R. Mechanical Theory of Heat. John van Voorst: London, UK, 1867.
  16. Товбин Ю.К. Второе начало термодинамики, термодинамика Гиббса и времена релаксации. // ЖФХ. 2021. Т. 95. № 4. С. 483. [Tovbin, Y.K. Second law of thermodynamics, Gibbs’ thermodynamics, and relaxation times of thermodynamic parameters // Russ. J. Phys. Chem. A. 2021. V. 95. P. 637.]
  17. Лазарев А.В., Татаренко П.А., Татаренко К.А. // Сверхкритические Флюиды: Теория и Практика. 2017 Т. 12. № 4. С. 3. [Lazarev A.V., Tatarenko P.A., Tatarenko K.A. // Russ. J. Phys. Chem. В. 2018. V. 12. P. 1152. https://doi.org/10.1134/S1990793118070060]
  18. Николаев П.Н. Параметризованное уравнение состояния для области между критической и сверхкритической изотермами и потенциал взаимодействия // Вестн. Моск. ун-та. физ. астрон. 2014. № 2. С. 31. [Nikolaev P.N. A parameterized equation of state for the region between the critical and supercritical isotherms and the interaction potential // Moscow University Phys. Bull. 2014.V. 69. P. 134.]
  19. Николаев П.Н. Устойчивость и флуктуации числа частиц в сверхкритической области // Вестн. Моск. ун-та. физ. астрон. 2012. № 5. С. 3. [Nikolaev P.N. Stability and particle number fluctuations in a supercritical domain // Moscow University Phys. Bull. 2012. V. 67. P. 413.]
  20. Semenchenko V.К. Phase transitions and thermodynamical stability // Periodica Politechnica. Chemical Engineering. 1966. V. 10. № 4. P. 471–493.
  21. Nishikawa K., Kusano K., Arai A.A., Morita T. Density fluctuation of a van der Waals fluid in supercritical state // J. Chem. Phys. 2003. V. 118. № 3. 1341–1346.
  22. Лазарев А.В., Татаренко К.А. // Сверхкритические Флюиды: Теория и Практика”, 2016, Т. 11. № 1. С. 59–71 [Lazarev A.V., Tatarenko K.A. Gas dynamic model of expansion of the pulse jet of supercritical carbon dioxide. Self-similar solution // Sverhkriticheskie Flyuidy: Teoriya i Praktika, 2016. V. 11. № 1. P. 59.)
  23. Sun L., Kiselev S.B., Ely J.F. Multiparameter crossover equation of state: Generalized algorithm and application to carbon dioxide // Fluid Phase Equilibrium. 2005. V. 233. P. 204–219.
  24. Mirels H., Mullen J.F. Expansion of gas clouds and hypersonic jets bounded by a vacuum // A.I.A.A. 1963. V. 1. P. 596–602.
  25. Cocero M.J., Martin A., Mattea F., Varona S. Encapculation and co-precipitation processes with supercritical fluids fundamentals and applications. // J. Supercritical Fluids. 2009. V. 47. P. 546–555.
  26. Татаренко К.А., Лазарев А.В., Трубников Д.Н. // СКФ-ТП 2014. Т. 9. № 3. С. 66. [Tatarenko K.A., Lazarev A.V., Trubnikov D.N. // Russ. J. Phys. Chem. B. 2015. Vol. 9. P.1048. https://doi.org/10.1134/S199079311507012X]
  27. Татаренко К.А., Лазарев А.В., Трубников Д.Н. // СКФ-ТП 2015. Т. 10. № 4. С. 1. [Tatarenko K.A., Lazarev A.V. // Russ. J. Phys. Chem. B. 2016. Vol. 10. P. 1171. https://doi.org/10.1134/ S1990793116080066]
  28. Чекмарев С.Ф. Импульсные течения газа в сверхзвуковых соплах и струях. Новосибирск: изд-во ИТ СО АН, 1990. [Chekmarev S.F. Pulsed Flows of Gases in Supersonic Nozzles and Jets. Inst. Teplofiz. Sib. Otd. Akad. Nauk, Novosibirsk, 1990.]
  29. Гильмутдинов И.М., Сабирзянов А.Н., Гумеров Ф.М. Влияние плотности растворителя и геометрии канала на морфологию и размер получаемых микрочастиц в процессе быстрого расширения сверхкритического раствора // Сверхкритические Флюиды: Теория и Практика. 2008. Т. 3. № 1. С. 43. [Gil’mutdinov I.M., Sabirzyanov A.N., Gumerov F.M. // Sverhkriticheskie Flyuidy: Teoriya i Praktika. 2008. Vol. 3. No 1. P. 43.]
  30. Tovbin Yu. K. Molecular modeling of supercritical processes and the lattice – gas model // Processes. 2023. V. 11. P. 2541.
  31. Лифшиц И.М. К теории твердых растворов. 1. Корреляции в твердых растворах // ЖЭТФ. 1939. Т. 9. № 4. С. 481.
  32. Фишер И.З. Проблемы многих тел и физика плазмы. М.: Наука, 1967. С. 204.
  33. Кричевский И.Р. Фазовые равновесия при высоких давлениях. М.: Госхимиздат, 1963.
  34. Боровский И.Б., Гуров К.П., Марчукова Ю.Э., Угасте Ю.Э. Процессы взаимной диффузии в сплавах / под ред. К.П. Гурова. М.: Наука, 1973. 360 с.
  35. Guggenheim E.A. Mixtures: the theory of the equlibrium properties of some simple classes of mixtures solutions and alloys. Oxford: Clarendon Press, 1952. 271 p.
  36. Barker J.A. Cooperative orientation effects in solutions // J. Chem. Phys. 1952. V. 20. № 10. P. 1526.
  37. Пригожин И.Р. Молекулярная теория растворов. М.: Металлургия, 1990. 359 с. [Prigogine I.P. The molecular theory of solutions. Interscience Publishers Inc., Amsterdam, New York, 1957.]
  38. Уравнения состояния газов и жидкостей / Под ред. И.И. Новикова. М.: Наука, 1975. 260 с.
  39. Pruasnitz J.M., Lichtenthaler R.N., de Azevedo E.G. Molecular thermodynamics of fluid – phase equilibria. Prentice -Hall Inc., Englewood Cliffs, N.J. 1986.
  40. Смирнова Н.А. Молекулярные модели растворов. Л.: Химия, 1987. 334 с.
  41. Стенли Г. Фазовые переходы и критические явления. М.: Мир, 1973. 400 с. [Stanley H.E. Introduction to phase transitions and critical phenomena. Oxford: Clarendon Press. 1971.]
  42. Wilson K.G., Kogut J. The renormalization group and the ε-expansion // Phys. Reports. 1974. V. 12C. № 2. P. 75.
  43. Паташинский А.З., Покровский В.П. Флуктуационная теория фазовых переходов. М.: Наука, 1975. 256 с.
  44. Ма Ш. Современная теория критических явлений. М.: Мир, 1980. [Ma Sh.-K. Modern theory of critical phenomena. W.A. Benjamin, Inc., London, 1976.]
  45. Kikuchi R. A theory of cooperative phenomena // Phys. Rev. 1951. V. 81. P. 988.
  46. Kikuchi R. A theory of cooperative phenomena. II. Equation of states for classical statistics·// J. Chem. Phys. 1951. V. 19. P. 1230. https://doi.org/10.1063/1.1748002
  47. Theory and applications of the cluster variation and path probability methods / Eds. J.L. Moran-Lopez, J.M. Sanchez. New York and London: Plenum Press, 1996. 420 р.
  48. Вотяков Е.В., Товбин Ю.К. Уточнение эффектов корреляции взаимодействующих молекул в модели Изинга // ЖФХ. 2022. Т. 96. № 3. С. 339. [Votyakov E.V., Tovbin Yu.K. Refinement of the correlation effects of interacting particles in the ising model // Russ. J. Phys. Chem. A. 2022, V. 96. № 3. P. 485.]
  49. Товбин Ю.К. Методы описания адсорбции на неоднородной поверхности с учетом латерального взаимодействия молекул // Журнал физической химии, 1996. Т. 70. № 4. С. 700.
  50. Товбин Ю.К. Молекулярная теория адсорбции в пористых телах. М.: Физматлит. 2012. 624 с. [Tovbin Yu.K. Molecular theory of adsorption in porous solids. CRC, Boca Raton, FL, 2017.]
  51. Товбин Ю.К. Расчет адсорбционных характеристик в “квазиточечном” приближении на основе модели решеточного газа // Журнал Физической химии, 1998. Т. 72. № 12. С. 2254.
  52. Товбин Ю.К., Рабинович А.Б., Вотяков Е.В. Калибровочные функции в приближенных методах расчета равновесия адсорбционных характеристик // Известия АН. серия химическая. 2002. № 9. С. 1531.
  53. Tovbin Yu.K., Rabinovich A.B. Phase diagrams of adsorption systems and calibration functions in the lattice-gas model // Langmuir 2004. V. 20. № 12. P. 6041.
  54. Мартынов Г.А. Флуктуационная теория критических явлений в жидкостях // ЖФХ. 2016. Т. 90. С. 1338.
  55. Мартынов Г.A. Флуктуационная теория жидкостей // ТВТ. 2018. Т. 56. № 3. 353. https://doi.org/10.7868/S0040364418030055
  56. Михайлов И.Г., Соловьев В. А., Сырников Ю.Р. Основы молекулярной акустики. М.: Наука, 1964. 514 с.
  57. Семенченко В.К. Избранные главы теоретической физики. М.: Просвещение, 1964. [Semenchenko V.K. Selected Chapters in Theoretical Physics. Education: Moscow, Russia, 1966.
  58. Товбин Ю.К. Тeория физико-химичeских процeссов на границe газ – твeрдоe тeло. М.: Наука, 1990. 288 с. [Tovbin Yu.K. Theory of physical chemistry processes at a gas–solid surface processes. Boca Raton, Fl.: CRC Press, 1991.]
  59. Tovbin Yu.K. The lattice – gas model in kinetic theory of gas-solid processes // Progress in Surface Sci. 1990. V. 34. № 1–4. P. 1–236.
  60. Глесстон С., Лейдлер К., Эйринг Г. Теория абсолютных скоростей реакций. М.: изд-во иностр. лит., 1948. [Glasston S., Laidler K.J., Eyring H. The theory of rate processes. Princeton Univer. NewYork. London, 1941.]
  61. Вотяков Е.В.. Товбин Ю.К. Влияние непрямых корреляций между взаимодействующими частицами на коэффициенты переноса метки, массы и импульса // ЖФХ. 2024. Т. 98. [Russ. J. Phys. Chem. A, 2024, V. 98. No. 8, P. 1687–1697. doi: 10.1134/S0036024424700730].
  62. Фаулер Р., Гуггенгейм Э. Статистическая термодинамика, М.: Изд. иностр. лит., 1949. (Fоwler R.H., Guggenheim E.A. Statistical Thermodynamics, London, 1939.]
  63. Хилл Т. Статистическая механика. М.: Изд-во иностр. лит., 1960. 485 с. [Hill T.L. Statistical mechanics. Principles and selected applications. N.Y.: McGraw–Hill Book Comp. Inc., 1956.]
  64. Bell G.M. Statistical mechanics of water: Lattice model with directed bonding // J. Phys. C: Solid State Phys. 1972. V. 5. P. 889–905. https://doi.org/10.1088/0022-3719/5/9/004
  65. Титов С.В., Товбин Ю.К. Решеточная модель полярной жидкости // Известия Академии наук. Серия химическая. 2011. № 1. С. 12–20. [Titov S.V., Tovbin Y.K. Lattice model of a polar liquid // Russ. Chem. Bull. 2011. V. 60. P. 11–19. https://doi.org/10.1007/s11172-011-0002-5]
  66. Товбин Ю.К. Модель решеточного газа в молекулярно-статистической теории равновесных систем // Журнал физической химии, 2005. Т. 79. № 12. C. 2140. [Tovbin Yu.K. The lattice gas model in the molecular-statistical theory of equilibrium systems // Russ. J. Phys. Chem. 2005. V. 79. № 12. P. 1903–1920.]
  67. Гиршфельдер Дж., Кертис Ч., Берд Р. Молекулярная теория газов и жидкостей. М.: изд-во иностр. лит., 1961. 929 с. [Hirschfelder J.O., Curtiss C.F., Bird R.B. Molecular theory of gases and liquids. N.Y.: Wiley. 1954.]
  68. Gibbs J.W. Elementary principles in statistical mechanics, developed with especial references to the rational foundations. N.Y., 1902. [Гиббс Дж.В. Основные принципы статистической механики, разработанные со специальным применением к рациональному обоснованию термодинамики, 1902.]
  69. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Статистическая физика. Ч. 1. 3-е изд. М.: Наука, 1976. 584 с. [Landau L.D., Livshits E.M. Course of theoretical physics. V. 5: Statistical Physics 2nd ed. Pergamon, Oxford, 1980.]
  70. Feller W. Introduction to probability theory and its applications. V. 1. Moscow: Mir, 1984.
  71. Oh B.K., Kim S.K. Fluctuation in adsorbed phases // J. Chem. Phys. 1977. V. 67. P. 3427.
  72. Товбин Ю.К. Малые системы и основы термодинамики. М.: Физматлит, 2018. 404 с. [Tovbin Yu.K. Small systems and fundamentals of thermodynamics. Boca Raton, Fl.: CRC Press, 2019.]
  73. Кубо Р. Статистическая механика. М.: Мир, 1967. 452 с. [Kubo R. Statistical Mechanics. Amsterdam: North-Holland Publ. Comp., 1965.]
  74. Николаев П.Н. Расчет положения особых точек сверхкритической области для системы с потенциалом взаимодействия Леннарда–Джонса // Вестник Моск. Универ. Серия 3. Физика. Астрономия. 2016. № 1. С. 60. [Nikolaev P.N. The calculation of singular points in the supercritical region for a system with a Lennard–Jones interaction potential // Moscow University Physics Bulletin. 2016. V. 71. № 1. P. 75–80.]
  75. Вотяков Е.В., Товбин Ю.К. Влияние непрямых корреляций между притягивающимися частицами на скорости адсорбции и десорбции при физической адсорбции // ЖФХ. 2024. Т. 98. [Russ. J. Phys. Chem. A, 2024. V. 98. No. 6, P. 1293–1300.]

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2024

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».