Xreferat.com » Рефераты по химии » Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование

Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ КРИТИЧЕСКОГО ОБЪЕМА


Для массовых расчетов может быть рекомендован метод Лидерсена, возможности и точность которого, однако, не следует переоценивать. По методу Лидерсена критический объем рассчитывается с использованием корреляции:

Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование,(5.17)

где v - парциальные вклады, значения которых, выраженные в кубических см3/моль, приведены в табл. 5.2. Расчет достаточно прост и не требует дополнительного комментария.

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ АЦЕНТРИЧЕСКОГО ФАКТОРА


Фактор ацентричности был предложен в 1955 г. Питцером в качестве коррелирующего параметра, характеризующего ацентричность, или несферичность молекулы. Анализируя зависимость приведенного давления насыщенного пара различных веществ от приведенной температуры, Питцер с сотрудниками установили, что для аргона, криптона, ксенона, азота, кислорода, окиси углерода, метана и некоторых других веществ эта зависимость описывается практически одним уравнением. Однако расширение этого списка соединениями других классов дает серию практически прямых линий, наклоны которых различаются. Питцер и др. приняли приведенное давление насыщенного пара Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование при определенной приведенной температуре Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование в качестве характеристики вещества. При этих температурах приведенное давление инертных газов, выбранных в качестве простого вещества, составляет примерно 0,1. На основании этого наблюдения было сформулировано определение нового параметра - ацентрического фактора  как описывающего отклонение значения приведенного давления пара для определенного вещества от приведенного давления пара вещества сравнения в следующем виде:

Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование (при Tr=0,7),(5.18)

где Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование- давление насыщенного пара вещества при приведенной температуре Tr =0,7.

По определению Питцера ацентрический фактор является “мерой отклонения функций межмолекулярного потенциала от функций межмолекулярного потенциала сферических молекул вещества сравнения”. Значение  = 0 соответствует сферической симметрии в разреженном газе. Отклонения от поведения, характерного для простого вещества, очевидны, если  > 0. Для одноатомных газов ацентрический фактор близок к нулю. Для метана он еще очень мал. Однако для углеводородов с высокой молекулярной массой значение  возрастает и резко увеличивается с ростом полярности молекул.

Диапазон варьирования ацентрического фактора - от нуля до единицы. В настоящее время ацентрический фактор широко используется в качестве параметра, который в известной степени характеризует сложность строения молекулы в отношении как ее геометрии, так и полярности. В соответствии с рекомендациями [5, 6, 19] применимость корреляций, включающих фактор ацентричности, должна ограничиваться нормальными газами и жидкостями, их не следует использовать для прогнозирования свойств сильно полярных или ассоциированных жидкостей.

Здесь следует заметить, что опыт нашей работы позволяет заключить, что приведенное выше ограничение является излишне категоричным. При соблюдении определенных условий корреляции с  могут использоваться и применительно к названным группам органических веществ.

Значения ацентрического фактора для многих веществ вычислены на основе лучших экспериментальных данных по упругостям паров, Tc и Pc соединений и содержатся в Приложении.

При отсутствии сведений об  для его прогнозирования могут использоваться:

уравнение Эдмистера

Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование;(5.19)

уравнение Ли-Кеслера

Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование,(5.20)

уравнение Амброуза-Уолтона

Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование,(5.21)

где Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование - критическое давление, выраженное в физических атмосферах;

 = Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование - приведенная нормальная температура кипения вещества;

Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование - нормальная температура кипения вещества в градусах Кельвина;

Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование - критическая температура в градусах Кельвина.

f(0), f(1) – определены в описании метода Амброуза-Уолтона (раздел 7.3)

Завершая рассмотрение материала по критическим свойствам и критериям подобия, остановимся еще на одном важном и общем вопросе. Он касается критериев подобия. В настоящее время их предложено довольно много, мы познакомились с одним из них - ацентрическим фактором. В разд. 7 рассматривается еще один критерий подобия - и коэффициент Риделя. Оба критерия применяются весьма широко. Тем не менее универсальных подходов к выбору того или иного критерия подобия пока не создано, а значит, работы в этом направлении будут продолжены. Мы считаем целесообразным повторить те требования, которые перечислены Уэйлесом в его монографии [19] и относятся к дополнительным параметрам или критериям подобия:

Эти параметры должны соотноситься с молекулярной структурой и электростатическими свойствами молекулы.

Их можно определить при минимальном количестве экспериментальных данных.

Критические свойства не должны оказывать непосредственное воздействие на их значения.

При оценке этих параметров надо избегать использования данных о P-V-T , так как в противном случае теряется смысл приведенного уравнения.

Дополнительные параметры должны быть функцией температуры, предпочтительно приведенной.

Можно соглашаться или нет с перечисленными требованиями, но совершенно очевидно, что всему их комплексу не отвечает ни ацентрический фактор, ни критерий Риделя. Мало того, нам представляется ясным, что одной из причин успеха в их применении является именно согласованность их величин с критическими параметрами и P-T данными. В качестве носителя связи с P-T данными выступает температура кипения при одном из давлений, чаще при атмосферном.

Таким образом, развитие методов прогнозирования потребует, вероятно, и уточнения требований к критериям подобия.

6. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ плотности газа и жидкости [6, 17-18]


Перед тем как перейти к прогнозированию, следует напомнить, что в зависимости от принятых температуры и давления вещество может находиться либо в насыщенном, либо в ненасыщенном состоянии. Давление над насыщенной жидкостью равно давлению ее насыщенного пара при данной температуре. Давление над ненасыщенной, переохлажденной или сжатой жидкостью больше давления ее насыщенного пара при избранной для расчета температуре. Для каждой из названных областей P-V-T пространства существуют самостоятельные подходы к прогнозированию плотности.

Прогнозирование плотности индивидуальных веществ с использованием коэффициента сжимаемости


Пример 6.1

Для изобутилбензола, имеющего критическую температуру 650 К, критическое давление 31 атм и ацентрический фактор 0,378, рассчитать с использованием таблиц Ли-Кеслера (табл. 4.6, 4.7):

коэффициент сжимаемости при 500, 657 и 1170 К и давлении 1-300 атм,

плотность при 500, 657 и 1170 К и давлении 1-300 атм;

дать графические зависимости:

коэффициента сжимаемости от давления при указанных температурах,

плотности от давления при указанных температурах.

Решение

Используем разложение Питцера (уравн. 4.34) и табл. 4.6, 4.7 для коэффициента сжимаемости.

Вычислим значения приведенных температур:

Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование = 500/600 =0,769; Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование = 657/650 =1,01; Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование = 1170/650 =1,80.

Вычислим значения приведенных давлений:

Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование = 1/31 =0,03226; Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование = 300/31 =9,677.

Поскольку диапазон интересующих приведенных давлений совпадает с диапазоном Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование, рассмотренных Ли-Кеслером, используем информацию о Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование и Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование для дискретных значений Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование, представленных в табл. 4.6, 4.7.

Каждое из значений Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование и Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование получено линейной интерполяцией по температуре. Так, при 500 К (Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование = 0,769) и Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование = 0,010 для Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование имеем

(0,9935-0,9922)/(0,80-0,75)·(0,769-0,75)+0,9922 = 0,9927.

Прогнозирование плотности насыщенных жидкости и пара с использованием уравнений состояния вещества


Нахождение условий насыщения из уравнений состояния представляет собой достаточно сложную задачу, решение которой зачастую невозможно без привлечения вычислительной техники и специального программного обеспечения. Для простых уравнений состояния, таких как уравнение Ван-дер-Ваальса, эта задача может быть решена путем несложных вычислений. Однако необходимо помнить, что на практике при помощи уравнения Ван-дер-Ваальса можно лишь качественно оценить состояние насыщения. Для более точного представления насыщения разработаны другие уравнения состояния и специальные методы.

В данном пособии на примере уравнения Ван-дер-Ваальса рассмотрен подход к нахождению давления насыщения и объемов насыщения жидкости и пара (точки, принадлежащие бинодали), а также условий, определяющих метастабильные состояния вещества (точки экстремумов изотермы).

Пример 6.3

Для изобутилбензола при температурах 400, 500, 600 и 640 К, используя уравнение Ван-дер-Ваальса, рассчитать давление пара и объемы насыщения жидкости и пара. Определить также области метастабильных состояний пара и жидкости при указанных температурах. Критическая температура равна 650 К, критическое давление - 31 атм.

Решение

Запишем принцип Максвелла:

Площадь = Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование.(6.1)

Выразим из уравнения Ван-дер-Ваальса значение давления и подставим его в подинтегральное выражение. Получим

Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование.(6.2)

В данном случае имеется возможность найти аналитическое решение определенного интеграла

Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование.(6.3)

Теперь задача сводится к отысканию значения P sat, при котором выражение 6.3 обратится в тождество. При его нахождении нам потребуется неоднократно определять значения объемов жидкости и пара для заданного P, т.е. находить решения (корни) кубического уравнения.

Перепишем уравнение Ван-дер-Ваальса в виде полинома по объему

Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование.(6.4)

Корни данного уравнения можно найти, воспользовавшись формулами Кардано. Для этого перейдем к приведенному виду кубического уравнения, выполнив следующие преобразования. Обозначим коэффициенты в уравнении (6.4) через

Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование; Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование; Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование

и сделаем замену неизвестного V на Y:

Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование;

тогда уравнение (6.4) примет приведенный вид

Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование,(6.5)

где Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование; Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование.

Число действительных решений кубического уравнения зависит от знака дискриминанта

Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование.(6.6)

Если D > 0, то уравнение имеет одно действительное решение; если D < 0, то - три действительных решения; и если D = 0, то уравнение имеет либо два действительных решения, одно из которых двукратное, либо одно действительное трехкратное решение (последнее в случае p = q = 0).

В данном примере рассматривается область P-V-T пространства, где сосуществуют пар и жидкость. Для этой области уравнение Ван-дер-Ваальса имеет три действительных решения (дискриминант уравнения (6.5) меньше нуля). При использовании формул Кардано в оригинальном виде корни уравнения выражаются через комплексные величины. Избежать этого можно, если ввести следующие обозначения:

Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование, Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование.(6.7)

Тогда решениями приведенного уравнения (6.5) будут

Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование;(6.8)

Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование;(6.9)

Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование,(6.10)

от которых заменой

Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование(6.11)

снова можно перейти к решениям кубического уравнения (6.4).

3. Вычислим характеристические константы уравнения Ван-дер-Ваальса. Для удобства вычислений примем следующие единицы измерения: V - л/моль , P - атм, Т - К. Тогда R = 0,08206 л·атм/(моль·К);

a = 27·0,082062·6502/(64·31)=38,72 л·атм;

b = 0,08206·650/(8·31)=0,2151 л.

4. Давление насыщения находится методом последовательных приближений. В качестве первого приближения при Т = 400 К примем давление насыщения равным 10 атм.

5. Рассчитаем значения коэффициентов уравнения (6.4):

Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование = –(0,2151+0,08206·400/10) = – 3,4975;

Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование = 38,72/10 = 3,872;

Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование = – (38,72·0,2151/10) = – 0,8329.

6. Далее вычислим коэффициенты приведенного кубического уравнения (6.5) и значение дискриминанта D:

Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование = [3·3,872–(–3,4975)2]/3 = – 0,2055;

Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование = 2·(–3,4975)3/27–(–3,4975·3,872)/3+(–0,8329)=0,5121;

Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование = (–0,2055/3)3+(0,5121/2)2 = 0,0652.

Значение дискриминанта (D) получилось положительным, что говорит о единственном действительном решении уравнения (6.5). Следовательно, значение давления выбрано неверно.

7. Предположим, что давление насыщения равно 1 атм. Повторим вычисления в пунктах 5 и 6.

Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование = –(0,2151+0,08206·400/1) = –33,04;

Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование = 38,72/1 = 38,72;

Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование = –(38,72·0,2151/1) = –8,329;

Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование =[3·38,72 –(–33,04)2]/3 = –325,2;

Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование = 2·(–33,04)3/27 –(–33,04·38,72)/3+(–8,329) = –2254;

Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование = (–325,2/3)3+(–2254/2)2 = –3632.

Значение D отрицательное, следовательно, уравнение имеет три действительных решения.

8. Найдем эти решения, но прежде вычислим вспомогательные величины Критический объем и плотность веществ, их прогнозированиеиКритический объем и плотность веществ, их прогнозирование

Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование = [–(–325,2)3/27]1/2 = 1129;

Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование= –(–2254)/(2·1129) = 0,9982;

Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование= arccos (0,9982) = 0,0600 радиан;

Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование = 2·(1129)1/3·cos(0,0600/3) = 20,82;

Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование= 2·(1129)1/3 cos(0,0600/3 + 2·3,14/3) = –10,75;

Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование= 2·(1129)1/3 cos (0,0600/3 + 4·3,14/3) = –10,09.

9. Перейдем к решениям уравнения (6.4), воспользовавшись (6.11).

Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование = 20,82 –(–33,04/3) = 31,8 л/моль;

Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование = –10,75 –(–33,04/3) = 0,263 л/моль;

Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование = –10,09 –(–33,04/3) = 0,923 л/моль.

При 400 К и 1 атм объем пара (V1) составляет 31,8 л/моль, объем жидкости (V2) – 0,263 л/моль. V3 = 0,923 – третий корень уравнения, не имеющий физического смысла.

10. Вычислим значение левой части выражения (6.3), для этого имеются все необходимые величины:

Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование = 0,08206·400 ln[(31,8–0,2151)/

/(0,263– 0,2151)] + 38,72·(1/31,8–1/0,263)–1·(31,8–0,263) = 35,53.

При избранном давлении (1 атм ) выражение (6.3) в тождество не обращается, т.е. левая и правая части не равны друг другу. Необходимо принять другое значение давления насыщения.

В пунктах 5-10 вычисления производились с округлением промежуточных величин на каждом шаге вычислений до значений, записанных в формулах. Далее приводятся результаты вычислений с точностью в 16 десятичных разрядов, и округление выполнено только при представлении окончательных величин.

11. Примем Psat = 3 атм. Повторим вычисления в пунктах 5-10. При 400 К и 3 атм объем пара составляет 9,878 л/моль, объем жидкости – 0,282 л/моль. Левая часть выражения (6.3) равна Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование = 1,0515. Тождество не выполняется, но степень отклонения от него существенно уменьшилась.

12. Подбор давления насыщения следует продолжить. Теперь имеется два значения для левой части выражения (6.3) при соответствующих давлениях. Используя эти величины, можно оценить значение давления для следующего расчета путем линейной интерполяции.

Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование = 1–(1–3)/(35,53–1,0515)·35,53 = 3,061 атм.

13. Повторим вычисления (пункты 5-12) для Psat = 3,061 атм. Получим:

Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование= 9,658 л/моль; Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование = 0,282 л/моль; Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование = 0,473. Новое значение давления – 3,111 атм.

После 5 итераций, исключая расчет при Psat = 10 атм, имеем:

T = 400 K; P sat = 3,112 атм; Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование = 9,480 л/моль; Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование = 0,282 л/моль; Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование = 8,7·10-5. Полученные значения давления и объемов жидкости и пара соответствуют условиям насыщения.


14. Результаты расчета для других температур приведены в табл. 6.3.

Таблица 6.3

Т, К Psat, атм

Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование, л/моль

Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование, л/моль

400 3,112 0,282 9,480
500 9,888 0,322 3,235
600 22,328 0,410 1,322
640 29,127 0,515 0,850

15. Область метастабильных (пересыщенных) состояний пара и жидкости занимает пространство между бинодалью и спинодалью. Точки на изотермах, принадлежащие бинодали, определены выше, и их значения приведены в табл. 6.3.

Для определения конфигурации спинодали воспользуемся соотношением

Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование,

т.е. условиями экстремальности для соответствующих точек изотермы. Далее продифференцируем уравнение Ван-дер-Ваальса по объему (при Т = const) и преобразуем полученное выражение к полиному по V. Получим кубическое уравнение (6.12), корни которого могут быть найдены изложенным выше способом (п.п. 5-9):

Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование.(6.12)

16. Для 400 К имеем следующие значения коэффициентов уравнения (6.12):

Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование = –[2·38,72/(0,08206·400)] = –2,3593;

Критический объем и плотность веществ, их прогнозирование = [4·38,72·0,2151/(0,08206·400)] = 1,0149;

Критический объем и плотность
    <div class=

Если Вам нужна помощь с академической работой (курсовая, контрольная, диплом, реферат и т.д.), обратитесь к нашим специалистам. Более 90000 специалистов готовы Вам помочь.
Бесплатные корректировки и доработки. Бесплатная оценка стоимости работы.
Подробнее

Поможем написать работу на аналогичную тему

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту
Нужна помощь в написании работы?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Пишем статьи РИНЦ, ВАК, Scopus. Помогаем в публикации. Правки вносим бесплатно.

Похожие рефераты: