Difuze kapalných směsí pomocí molekulárních simulací - PowerPoint PPT Presentation

difuze kapaln ch sm s pomoc molekul rn ch simulac n.
Download
Skip this Video
Loading SlideShow in 5 Seconds..
Difuze kapalných směsí pomocí molekulárních simulací PowerPoint Presentation
Download Presentation
Difuze kapalných směsí pomocí molekulárních simulací

play fullscreen
1 / 9
Difuze kapalných směsí pomocí molekulárních simulací
112 Views
Download Presentation
gratia
Download Presentation

Difuze kapalných směsí pomocí molekulárních simulací

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript

  1. Difuze kapalných směsí pomocí molekulárních simulací Stanislav Pařez

  2. Motivace difuze = transport látky způsobený molekulárním pohybem • rychlost řídící proces mnoha technologických postupů destilace, separace pomocí porózních materiálů → optimalizace technologických postupů • velmi obtížné použití experimentálních technik pro měření difuzních koeficientů multikomponentních směsí (n>2) Wambui Mutoru, J.; Firoozabadi, A. J. Chem. Thermodyn. 2011, 43: data pro pouze 94 ternárních a 13 kvaternárníchsměsí → prostor pro alternativní určení difuzních koeficientů • teoretické prediktivní modely potřeba dat pro difuzní koeficienty ternárních směsí • vývoj a testování simulační metody klasická simulační metoda využívá experimentální data z měření fázových rovnováh, která opět existují jen pro relativně malý soubor látek a rozsah termodynamických podmínek

  3. Molekulární model voda + methanol + ethanol rigidní, united-atom modely elektrostatická interakce → bodové náboje q krátkodosahová repulze a disperzní interakce → LJ parametry [e,s] směsi → • voda: TIP4P/2005 Abascal, J. L. F.; Vega, C. J. Chem. Phys. 2005, 123 • alkoholy Schnabel, T.; Vrabec, J.; Hasse, H. Fluid Phase Equilib. 2005, 233 Schnabel, T.; Srivastava, A.; Vrabec, J.; Hasse, H. J. Phys. Chem. B 2007, 111 [eOW,sOW] -2qHW qHW qHW qOM, [eOM,sOM] qOE, [eOE,sOE] qHE qHM qCH3E, [eCH3E,sCH3E] qCH3M, [eCH3M,sCH3M] qCH2E, [eCH2E,sCH2E] geometrie, polohy nábojů ← kvantová chemie interakční parametry ← optimalizace pro sadu experimentálních dat (hustoty,tlaky nasycených par)

  4. Teorie vzájemná difuze u n-komponentní směsi • Fickův zákon Fickův difuzní koeficient Dij svazuje tok komponenty i agradient molárního zlomku (koncentrace) komponenty j i,j = 1..n-1 • Maxwell-Stefanova (MS) teorie Dij je frikčním koeficientem třecí síly, která vyrovnává hnací sílu difuze ~gradient chemického potenciálu - vzájemná rychlost aktivitní koef. binární směsiternární směsi Dij, Gij 2x2 matice

  5. Metoda - schema: Dij, Gij→Dij • MS koeficientDij standardní simulační výpočet pomocí rovnovážné molekulární dynamiky Dij ~ Lij • termodynamický faktor analytický výpočet dle definice pomocí GE modelu (Wilson,NRTL,UNIQUAC,UNIFAC) Parametry modelu: • klasická metoda – regrese vzhledem k experimentálním měření fázových rovnováh (VLE) – koncentrační profil tlaku nasycených par - vyžaduje existenci experimentálních dat (pro ternární směsi omezené množství) - citlivá na výběr GE modelu - výsledný td. faktor odpovídá (T,p,x), za kterých byla měřena VLE data • nová metoda–regrese vzhledem k simulačním datům – koncentrační profil chemických potenciálů Monte Carlo simulace – metoda postupného vkládání (Gradual Insertion) - -

  6. Výsledky voda (1) + methanol (2) + ethanol (3), T = 298 K, p = 1 bar chemické potenciály (×) MS diff. coef. (o) methanol ethanol water x1 x3 x2 chemické potenciály použitím Wilsonova modelu pro vzájemnou difuzivitu ve směsi voda + methanol + ethanol neexistují experimentální data → můžeme ale porovnat data u binárních subsystémů

  7. T = 298 K p = 1 bar mwater/kBT (■)mwater/kBT – ln xwater (□) mMeOH/kBT (●)mMeOH/kBT – ln xMeOH (o) mEtOH/kBT (▲)mEtOH/kBT – ln xEtOH (Δ) klasická metoda (Δ) nová metoda (○) experimentální data (■) klasická metoda (- -) nová metoda (−) Wilson model (■) van de Ven-Lucassen, I. M. J. J.; Kieviet, F. G.; Kerkhof, P. J. A. M. J. Chem. Eng. Data 1995, 40

  8. Test teoretických prediktivních modelů Darkenův model Liu et al. simulation data (■), (●), (▲) experimental data (□), (o), (Δ) Darken (○) Liu (-) simulační data (■) Liu, X.; Schnell, S. K.; Simon, J.-M.; Bedeaux, D.; Kjelstrup, S.; Bardow, A.; Vlugt, T.J. H. J. Phys. Chem. B 2011, 115

  9. Závěr • spočetli jsme Fickovy difuzní koeficienty pro směs voda + methanol + ethanol • použili jsme konzistentní simulační metodu, která počítá MS dif. koef. i td. faktor pomocí simulačních dat • metoda je plausibilnější (méně citlivá na volbu GE modelu, poskytuje td. faktor pro zvolené [T,p,x]) než klasická metoda, která využívá fit GE modelu na měření fázových rovnováh, zároveň dává lepší kvalitativní a podobnou kvantitativní shodu s experimentálními profily u binárních systémů • otestovali jsme Darkenův model a jeho parametrizaci od Liu et al. pro predikci MS dif. koef. Uspokojivé predikce bylo dosaženo jen pro směs methanol + ethanol