Химия. Физикохимические основы газогидратного выделения ксенона и диоксида углерода из метансодержащих газовых смесей
 Скачать 3.02 Mb.
|
|
T и P, единственное заметное изменение энергии связано с заполнением газогидратных полостей. Это предположение требует, чтобы энергия газового гидрата в идеальном состоянии была хорошо определена. Статистическая термодинамическая модель задается в виде: 𝛥𝜇 𝑤 𝐻 𝑅𝑇 = 𝜇 𝑤 𝐻 𝑅𝑇 − 𝑔 𝑤 𝛽 𝑅𝑇 = ∑ 𝑛 𝑖 𝑙𝑛 (1 − ∑ 𝑄 𝑗𝑖 𝑗 ) 𝑖 , (3) где 𝜇 𝑤 𝐻 – химический потенциал воды в газогидратной фазе; 𝑔 𝑤 𝛽 – химический потенциал воды в идеальной пустой газогидратной решетке при заданном объеме; 𝑛 𝑖 – количество 𝑖-го типа газогидратных полостей в кристаллической структуре; 𝑄 𝑗𝑖 – доля заполненных 𝑗-ым газом 𝑖-го типа полостей. Суммирующий член в уравнении (3) представляет собой результирующее изменение энергии из-за внедрения газовых молекул в пустую решетку газового гидрата. В работе Ван-дер-Ваальса и Платтеу выражение химического потенциала воды в любой структуре газового гидрата было разработано с использованием подхода, аналогичного ленгмюровской адсорбции [150]. Согласно Ленгмюру, поверхность твердого тела можно рассматривать состоящей из N центров, с которыми могут сталкиваться молекулы из менее плотной гомогенной фазы и на которых они могут адсорбироваться. По теории межмолекулярных сил эти места отвечают минимуму энергии и расположены через определенные интервалы по всей поверхности, отражая внутреннее строение самого твердого вещества. При достижении равновесия между молекулами, адсорбированными на поверхности и находящихся в объеме, только некоторая доля центров адсорбции занята адсорбированными молекулами [151]. Предположения модели адсорбции Ленгмюра: 1. Газовые молекулы адсорбируются на поверхности. 2. Энергия адсорбции не зависит от присутствия других адсорбированных молекул. 3. Максимальное количество адсорбированного газа соответствует одной молекуле на полость. Согласно методу Ван-дер-Ваальса и Платтеу с использованием теории ячеек Леннард- Джонса – Девоншира для расчета констант Ленгмюра, уравнение, связывающее константы Ленгмюра (C ji ) со сферически сглаженной ячеечной потенциальной функцией 𝑤 𝑞𝑗𝑖 (𝑟) на радиальном расстоянии (r) от центра газогидратной полости до газовой молекулы и с учетом отклонения газовой молекулы от сферической выглядит следующим образом: 41 𝐶 𝑗𝑖 = [ 4𝜋 𝑘𝑇 ∫ 𝑒𝑥𝑝 − 𝑤𝑞𝑗𝑖(𝑟) 𝑘𝑇 𝑟 2 𝑑𝑟 𝑅 𝑞𝑖 0 ] [𝑒𝑥𝑝 (−𝐴 𝑖 (𝑈 𝑗 ( 𝜎 𝑗 𝑅 𝑞𝑖 −𝑎 𝑗 ) 𝜀 𝑗 𝑘𝑇 ) 𝑙 𝑖 )] , (4) где j – тип газовой молекулы; i – тип газогидратной полости; q – количество слоев молекул воды; R qi – радиус газогидратной полости q-го слоя, Ȧ; k=1.38·10 -23 Дж/K – константа Больцмана; T – температура процесса гидратообразования, K; A i , l i – эмпирические параметры, зависящие от типа газогидратной полости [152]; 𝜎 𝑗 – расстояние между молекулярными ядрами, при котором потенциал бинарного взаимодействия равен 0, Ȧ; 𝑎 𝑗 – радиус ядра взаимодействующих молекул, Ȧ ; 𝜀 𝑗 – глубина межмолекулярной потенциальной ямы, Дж; 𝑈 𝑗 – эмпирический параметр, учитывающий форму газовой молекулы [152]. Сферический радиус жесткого ядра (𝑎 𝑗 ) представляет газовую молекулу в виде сферической твердой сферы. Его значение рассчитывается по результатам измерения вязкости, но альтернативно может быть получено из значений второго вириального коэффициента. Глубина межмолекулярной потенциальной ямы (𝜀 𝑗 ) и расстояние между молекулярными ядрами, при котором потенциал бинарного взаимодействия равен 0 (𝜎 𝑗 ) являются установочными параметрами по данным равновесных давлений и температур. Константы Ленгмюра описывают потенциальное взаимодействие между газовой молекулой в полостях и молекулами воды, окружающими ее. Модель ячеечного потенциала вычисляет каждое взаимодействие вода-гость как суммированное сферическое поле вокруг анклатированной молекулы. Ранее предполагалось, что взаимодействие между газовыми молекулами и молекулами воды в i-ой полости можно аппроксимировать при использовании среднего радиуса ячейки. Баллард и Слоан предполагают, что взаимодействия между газом и молекулами воды можно лучше аппроксимировать с помощью «многослойной» полости. Используются прямые данные рентгеновской дифракции на монокристаллах для радиусов каждой молекулы воды в газогидратных полостях [49,50].Важнейшее изменение, внесенное в работу Балларда и Слоана – сделать радиусы каждой оболочки функциями температуры, давления и состава. Когда решетка расширяется или сжимается, полости также расширяются или сжимаются, радиусы оболочек являются линейной функцией параметра решетки кубического газового гидрата. Модель Ван-дер-Ваальса и Платтеу возможно было применить только с использованием компьютерного расчета. Это создало проблемы для ее применимости в промышленных условиях. Однако с появлением компьютеров эта модель стала предпочтительной. Модель Ван-дер-Ваальса и Платтеу привела Саито и др. [153] и Пэрриша и Праусница [154] к предсказанию равновесия газовых гидратов. Саито и др. [153] в 1964 г. разработали выражения для расчета газогидратных фазовых равновесий с использованием химического 42 потенциала воды в газовых гидратах, разработанные Ван-дер-Ваальсом и Платтеу. Их подход позволил определить давление и температуру образования газового гидрата, приравняв химический потенциал воды в газовом гидрате к химическому потенциалу воды в водной фазе или фазе льда и представив алгоритм в форме, подходящей для компьютерного расчета. Этот метод не получил широкого распространения до тех пор, пока Пэрриш и Праусниц [154] в 1972 г. не разработали итеративную схему с использованием уравнений, разработанных Ван-дер- Ваальсом и Платтеу, Саито и др. для компьютерного расчета. Схема Пэрриша и Праусница не включает газогидратную фазу в явном виде, в их методе определяется термодинамическое равновесие жидких фаз и сравнивается с газогидратными фазами, затем определяется температура или давление, при которых химический потенциал воды одинаков во всех фазах, включая газогидратную фазу. Пэрриш и Праусниц рекомендовал теорию Кихара для расчета потенциала ячейки, потенциальная функция ячейки (𝑤 𝑞𝑗𝑖 (𝑟) ) [154] выглядит следующим образом: 𝑤 𝑞𝑗𝑖 (𝑟) = 2𝑧 𝑞𝑖 𝜀 𝑗 [ 𝜎 𝑗 12 𝑅 𝑞𝑖 11 𝑟 (𝐵 𝑞𝑗𝑖 10 + 𝑎 𝑗 𝑅 𝑞𝑖 𝐵 𝑞𝑗𝑖 11 ) − 𝜎 𝑗 6 𝑅 𝑞𝑖 5 𝑟 (𝐵 𝑞𝑗𝑖 4 + 𝑎 𝑗 𝑅 𝑞𝑖 𝐵 𝑞𝑗𝑖 5 )] , (5) где 𝑧 𝑞𝑖 – координационный номер газогидратной полости. 𝐵 𝑞𝑗𝑖 𝑛 = 1 𝑛 [(1 − 𝑟 𝑅 𝑞𝑖 − 𝑎 𝑗 𝑅 𝑞𝑖 ) −𝑛 − (1 + 𝑟 𝑅 𝑞𝑖 − 𝑎 𝑗 𝑅 𝑞𝑖 ) −𝑛 ] , (6) где n = 4, 5, 10, 11. Второй и третий слой молекул воды также влияет на стабильность газового гидрата [152], поэтому общий потенциал ячейки определяется тремя слоями молекул воды. Взаимодействие газ-вода определяется правилом смешивания Лоренца-Бертло [155,156]. В 1980 г. выражение химического потенциала воды в водной фазе и фазе льда было упрощено некоторыми исследователями, такими как Холдер и др. [157] в виде: 𝛥𝜇 𝑤 𝛼 𝑅𝑇 = 𝜇 𝑤 𝛽 −𝜇 𝑤 𝛼 𝑅𝑇 = 𝛥𝜇 𝑤 0 𝑅𝑇 − ∫ 𝛥ℎ 𝑤 𝑅𝑇 2 𝑇 𝑇 0 𝑑𝑇 + ∫ 𝛥𝜐 𝑤 𝑅𝑇 𝑃 𝑃 0 𝑑𝑃 − 𝑙𝑛 𝑎 𝑤 𝛼 , (7) где 𝛼 – жидкая вода или фаза льда; индекс 0 означает свойства при стандартных условиях; 𝛥ℎ 𝑤 , 𝛥𝜐 𝑤 – изменение энтальпии и разница объемов между пустой газогидратной решеткой и водой в 𝛼 фазе, соответственно; 𝑎 𝑤 – активность воды. Уравнение состояния Ван-дер-Ваальса и Платтеу в сочетании с классическим термодинамическим уравнением использовались для предсказания свойств газовых гидратов длительное время (около 40 лет с момента их появления). Однако в данных расчетах поведение газового гидрата рассматривалось относительно поведения жидкой фазы, при этом газовый гидрат рассматривался как идеальный твердый раствор с неизменной кристаллической решеткой. Прогнозы перечисленных моделей относительно хороши при средних величинах давлений и температур. Однако при высоких давлениях (выше 20.00 МПа) и для газовых гидратов природного газа предсказания модели отклоняются от экспериментальных данных. Это 43 говорит о том, что свойства идеального состояния газового гидрата (пустая решетка) определены неверно. В связи с необходимостью в более точных величинах равновесия жидкость-пар-гидрат для газовых гидратов природного газа была предложена модель Балларда-Слоана [42,158,159], которая основана на расчетных методах Ван-дер-Ваальса и Платтеу [149] (статическая термодинамика) и Пэрриша и Праусница [154] (классическая термодинамика). В модели Балларда-Слоана вводится понятие коэффициента активности воды в газогидратной фазе, что позволяет учитывать искажение кристаллической решетки газового гидрата при различных термобарических условиях, тем самым учитывать отклонение объема газового гидрата от объема идеального кристалла. Газогидратная фаза при этом рассматривается отдельно. Активность воды в газовом гидрате является функцией разницы энергий между реальной и идеальной решеткой. Считается, что этот подход, который учитывает изменение решетки газового гидрата по сравнению с его идеальным состоянием, дает более точное представление о решетке газового гидрата. В работе Балларда и Слоана [158] в 2002 г. выражения для химического потенциала воды в газогидратных структурах КС-I и КС-II были разработаны с использованием подхода, аналогичного ленгмюровской адсорбции газа. Вода рассматривается как основной компонент водной фазы, и поэтому отклонения химического потенциала происходят от состояния чистой воды. Для корректного определения движущей силы процесса гидратообразования необходимо определить давление диссоциации газовых гидратов. В случае трехфазного равновесия жидкость-пар-гидрат определение давления диссоциации газовых гидратов основано на равенстве химического потенциала воды в газогидратной фазе (𝜇 𝑤 𝐻 ) и воды в жидкой фазе (𝜇 𝑤 𝐿 ). Блок-схема, поясняющая теоретический расчет давления диссоциации газовых гидратов представлена на Рисунке 5. 44 Рисунок 5. Блок-схема теоретического расчета давления диссоциации газовых гидратов В классической термодинамической модели газового гидрата используются следующие два уравнения, которые можно вывести с помощью термодинамики чистых компонентов: 𝜇 𝑤 𝐿𝑤 𝑅𝑇 = 𝑔 𝑤0 𝐿𝑝𝑢𝑟𝑒 𝑅𝑇 0 − ∫ ℎ 𝑤 𝐿𝑝𝑢𝑟𝑒 𝑅𝑇 2 𝑇 𝑇 0 𝑑𝑇 + ∫ 𝜐 𝑤 𝐿𝑝𝑢𝑟𝑒 𝑅𝑇 𝑃 𝑃 0 𝑑𝑃 + 𝑙𝑛 𝑎 𝑤 𝐿 𝑤 , (8) 𝑔 𝑤 𝛽 𝑅𝑇 = 𝑔 𝑤0 𝛽 𝑅𝑇 0 − ∫ ℎ 𝑤 𝛽 𝑅𝑇 2 𝑇 𝑇 0 𝑑𝑇 + ∫ 𝜐 𝑤 𝛽 𝑅𝑇 𝑃 𝑃 0 𝑑𝑃 , (9) где 𝑔 𝑤 , ℎ 𝑤 , 𝜐 𝑤 – молярная энергия Гиббса, энтальпия, объем воды и коэффициент активности, соответственно; индексы 𝐿 𝑤 , 𝐿 𝑝𝑢𝑟𝑒 и 𝛽 соответствуют водной, чистой жидкой воде и идеальной газогидратной фазе, соответственно. При вычитании уравнения (9) из уравнения (8) получается необходимое выражение для описания фазового перехода от идеальной газогидратной решетки к водной фазе: 𝛥𝜇 𝑤 𝐿𝑤 𝑅𝑇 = 𝜇 𝑤 𝐿𝑤 𝑅𝑇 − 𝑔 𝑤 𝛽 𝑅𝑇 = 𝛥𝑔 𝑤0 𝑅𝑇 0 − ∫ 𝛥ℎ 𝑤 𝑅𝑇 2 𝑇 𝑇 0 𝑑𝑇 + ∫ 𝛥𝜐 𝑤 𝑅𝑇 𝑃 𝑃 0 𝑑𝑃 + 𝑙𝑛 𝑎 𝑤 𝐿 𝑤 (10) Химический потенциал воды в жидкой фазе (𝜇 𝑤 𝐿 ) имеет вид: 45 𝜇 𝑤 𝐿 𝑅𝑇 = 𝑔 𝑤 𝐿 𝑅𝑇 0 − ∫ ℎ 𝑤 𝐿 𝑅𝑇 2 𝑇 𝑇 0 𝑑𝑇 + ∫ 𝜐 𝑤 𝐿 𝑅𝑇 𝑃 𝑃 0 𝑑𝑃 + 𝑙𝑛(𝛾 𝑤 𝐿 𝑥 𝑤 𝐿 ) , (11) где 𝑔 𝑤 𝐿 – энергия Гиббса воды в жидкой фазе, Дж/моль; ℎ 𝑤 𝐿 – молярная энтальпия воды в жидкой фазе, Дж/моль; 𝜐 𝑤 𝐿 – молярный объем воды в жидкой фазе, см 3 /моль; 𝛾 𝑤 𝐿 – коэффициент активности воды в жидкой фазе; 𝑥 𝑤 𝐿 – мольная доля воды в жидкой фазе с учетом растворимости газов. Уравнение фугитивности воды в газовых гидратах определяется как: 𝑓 𝑤 𝐻 = 𝑓 𝑤 𝐿 𝑤 𝑒𝑥𝑝 [ 𝛥𝜇 𝑤 𝐻 −𝛥𝜇 𝑤 𝐿𝑤 𝑅𝑇 ] (12) Активность воды в газовом гидрате может быть выражена через ее активность в каждой из полостей [158]: 𝑎 𝑤 𝐻 = (1 − ∑ 𝑄 1 𝑗 ) 𝜐 1 (1 − ∑ 𝑄 2 𝑗 ) 𝜐 2 (13) Из уравнения (13) видно, что активность воды в газогидратной полости является эффективным составом воды в этой полости. Т.е. уравнение (13) представляет уменьшение энергии воды в газовом гидрате из-за включения газовых молекул в газогидратные полости. Используя статистическую термодинамическую модель для эффективного состава и вводя коэффициент активности, который учитывает неидеальные взаимодействия, возможно определить активность воды в газогидратной полости в виде: 𝑎 𝑤 𝐻 = 𝛾 𝑤 𝐻 ∏ (1 − ∑ 𝑄 𝑗𝑚 𝑗 ) 𝜐 𝑚 𝑚 , (14) где 𝛾 𝑤 𝑚 – эффективный коэффициент активности воды. В соответствии с работой [13] химический потенциал воды в газогидратной фазе (𝜇 𝑤 𝐻 ) рассчитывается с использованием энергии Гиббса воды в идеальной пустой газогидратной решетке при данном объеме, температуре и давлении в форме: 𝜇 𝑤 𝐻 𝑅𝑇 = 𝑔 𝑤𝑑 𝛽 𝑅𝑇 0 − ∫ ℎ 𝑤 𝛽 𝑅𝑇 2 𝑇 𝑇 0 𝑑𝑇 + ∫ 𝜐 𝑤 𝛽 𝑅𝑇 𝑃 𝑃 0 𝑑𝑃 + ∑ 𝑣 𝑖 𝑙𝑛(1 − ∑ 𝑄 𝑗𝑖 𝑗 ) 𝑖 + 𝑙𝑛 𝛾 𝑤 𝐻 , (15) где индекс d относится к свойствам воды в идеальном газовом состоянии; индекс 0 относится к свойствам при стандартных условиях (𝑇 0 =298.15 K, 𝑃 0 =0.10 МПа); 𝑅 – универсальная газовая постоянная, Дж/(моль·К); 𝑇 – температура процесса, К; 𝑔 𝑤 𝑑 𝛽 – энергия Гиббса воды в идеальной пустой газогидратной решетке, Дж/моль; 𝑃 – давление диссоциации газовых гидратов, Па; ℎ 𝑤 𝛽 – молярная энтальпия воды в идеальной пустой газогидратной решетке, Дж/моль; 𝜐 𝑤 𝛽 – молярный объем воды в идеальной пустой газогидратной решетке, см 3 /моль; 𝑣 𝑖 – количество i-го типа газогидратных полостей на одну молекулу воды в газовом гидрате; 𝑄 𝑗𝑖 – доля заполненных j-ым газом i-го типа полостей; 𝛾 𝑤 𝐻 – коэффициент активности воды в газогидратной фазе. Данные дифракции рентгеновских лучей нескольких различных газовых гидратов показывают, что объем равновесного газового гидрата зависит от газовых молекул [147]. Если идеальный объем газового гидрата не является объемом равновесного газового гидрата, должно 46 произойти изменение энергии, пропорциональное разнице в объеме (𝛥𝜐 𝐻 = 𝜐 𝐻 − 𝜐 𝛽 ). Коэффициент активности является функцией разницы в объеме между газовым гидратом и идеальным газовым гидратом (𝛥𝜐 𝐻 ). Коэффициент активности должен обладать следующим свойством: 𝛾 𝑤,𝐻 →1 при 𝛥𝜐 𝐻 →0. Коэффициент активности учитывает изменение энергии, связанное с преобразованием объема идеальной решетки в объем реального газового гидрата, т.е. будет изменяться энергия Гиббса идеальной газогидратной решетки: 𝜇 𝑤 𝐻 = 𝑔 𝑤 𝛽 + 𝛥𝑔 𝑤 𝛽 + 𝑅𝑇 ∑ 𝜐 𝑚 𝑚 𝑙𝑛(1 − ∑ 𝑄 𝑗𝑚 𝑗 ) , (16) где изменение 𝛥𝑔 𝑤 𝛽 можно описать следующим образом: 𝛥𝑔 𝑤 𝛽 = 𝛥𝑔 𝑤0 𝛽 𝑅𝑇 0 − ∫ 𝛥ℎ 𝑤 𝛽 𝑅𝑇 2 𝑇 𝑇 0 𝑑𝑇 + ∫ 𝛥𝜐 𝐻 𝑅𝑇 𝑃 𝑃 0 𝑑𝑃 (17) Предполагая, что теплоемкость газового гидрата не изменяется в процессе гидратообразования, коэффициент активности воды в газовом гидрате выражается в виде: 𝑙𝑛𝛾 𝑤 𝐻 = 𝛥𝑔 𝑤0 𝛽 𝑅𝑇 0 − 𝛥ℎ 𝑤0 𝛽 𝑅 ( 1 𝑇 − 1 𝑇 0 ) + ∫ 𝛥𝜐 𝐻 𝑅𝑇 𝑃 𝑃 0 𝑑𝑃 , (18) где ℎ 𝑤 0 𝛽 – энтальпия образования газового гидрата при стандартных условиях, Дж/моль. Чтобы рассчитать термодинамическое равновесие для закрытой системы должны быть выполнены три основных условия: 1 – равенство температуры во всех фазах, 2 – равенство давлений во всех фазах, 3 – равенство фугитивностей во всех фазах. Выполнение условий 1-3 необходимо для термодинамического равновесия, но этого недостаточно для минимизации энергии Гиббса. Однако для простых систем, в которых фазы, находящиеся в равновесии, известны (например, пар и жидкий углеводород), могут использоваться условия 1-3. При решении термодинамического равновесия в более сложной системе, в которой могут образовываться несколько фаз, необходимо использовать четвертый критерий – минимум энергии Гиббса. Энергия Гиббса воды в идеальном состоянии может быть выражена с помощью классической термодинамики (уравнение (17)). Молярный объем газовых гидратов и, следовательно, идеальных состояний хорошо представлен данными дифракции рентгеновских лучей [147]. Выражение для молярного объема воды в газовых гидратах: 𝜐 𝑤 𝛽 = 𝜐 0 𝑒𝑥𝑝[𝛼 1 (𝑇 − 𝑇 0 ) + 𝛼 2 (𝑇 − 𝑇 0 ) 2 + 𝛼 3 (𝑇 − 𝑇 0 ) 3 − 𝑘(𝑃 − 𝑃 0 )] (19) Коэффициент сжимаемости (𝑘) и идеальный объем (𝜐 0 ) зависят от состава газовых молекул в решетке газового гидрата, тогда как коэффициенты теплового расширения (𝛼 1 , 𝛼 2 , 𝛼 3 ) зависят от структуры газового гидрата. Чтобы установить термодинамическое равновесие, необходимо знать фугитивность воды в газовом гидрате. Обычно для определения фугитивности с помощью уравнений состояния используется состояние идеального газа чистого компонента при давлении 0.10 МПа. Баллард и |