Поверхностное натяжение и адсорбция на границе пар–жидкость в системе метан–этан

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Методом молекулярной динамики проведены расчеты парожидкостного равновесия и поверхностного натяжения жидкость–пар для системы метан–этан. Показано хорошее согласие величины парахора для этана между молекулярной моделью и экспериментальными данными для диапазона температур 203–253 К и для давлений до 60 атм. Зависимость поверхностного натяжения смеси от давления в диапазоне 4–40 атм при температуре 213 К показывает уменьшение как поверхностного натяжения, так и разности плотностей между жидкостью и паром при увеличении давления и приближении к критическому локусу. Благодаря аппроксимации полученных для тех же условий профилей плотности можно также сделать вывод об увеличении ширины межфазной границы. Вычислено количество адсорбированного метана на поверхности исследуемой жидкой пленки. Получена зависимость молярной адсорбции метана от разности плотностей компонентов в жидкой и газовой фазах и ее аналитическое выражение в рамках теории Гиббса. Особенностями использованного подхода являются отсуствие необходимости в приближениях идеального газа и идеального раствора и использование только экспериментально получаемых данных в качестве входных. Полученные величины адсорбции метана хорошо соответствуют выведенной аналитической зависимости.

Full Text

Restricted Access

About the authors

Д. Ю. Ленев

Объединенный институт высоких температур Российской академии наук; Московский физико-технический институт

Author for correspondence.
Email: lenev@phystech.edu
Russian Federation, Москва, 125412; Москва, 117303

С. А. Захаров

Объединенный институт высоких температур Российской академии наук; Московский физико-технический институт

Email: lenev@phystech.edu
Russian Federation, Москва, 125412; Москва, 117303

В. В. Писарев

Объединенный институт высоких температур Российской академии наук; Национальный исследовательский университет “Высшая школа экономики”

Email: lenev@phystech.edu
Russian Federation, Москва, 125412; Москва, 101000

References

  1. Kalikmanov V.I. Nucleation Theory. Dordrecht: Springer, 2013. P. 8.
  2. Baidakov V.G., Kaverin A.M., Khotienkova M.N. // Fluid Phase Equilibria. 2013. V. 356. P. 90.
  3. Каверин А.М., Андбаева В.Н., Байдаков В.Г. // Журн.физ.химии. 2006. Т. 80. № 3. С. 495. [Kaverin A.M., Andbaeva V.N., Baidakov V.G. // Russ. J. Phys. Chem. A. 2006. V. 80. № 3. P. 413.]
  4. Товбин Ю.К. Поверхностное натяжение: механика, термодинамика и времена релаксации // Журн. физ. химии. 2018. Т. 92. № 12. С. 1902. https://doi.org/10.7868/S004445371806002X
  5. Baidakov V.G., Khotienkova M.N. // Fluid Phase Equilibria. 2016. V. 425. P. 402. https://doi.org/10.1016/j.fluid.2016.06.038
  6. Зайцева Е.С., Товбин Ю.К. // Журн.физ.химии. 2022.T. 96. № 10. С. 1411. doi: 10.31857/S0044453722100351 [Zaitseva, E.S., Tovbin, Y.K. // Russ. J. Phys. Chem. 2022. V. 96. P. 2088–2097.]
  7. Zakharov S., Pisarev V. // Lecture Notes in Computer Science. V. 14388. P. 59. https://doi.org/10.1007/978-3-031-49432-1_5
  8. Ленев Д.Ю., Норман Г.Э. // ТВТ. 2019. Т. 57. № 4. С. 534. [Lenev D.Yu., Norman G.E. // High Temp. 2019. V. 57. № 4. P. 490. https://doi.org/10.1134/S004036441904015X]
  9. Жуховицкий Д.И. // Журн. физ. химии. 2001. Т. 75. № 7. С. 1159. [Zhukhovitskii D.I. // Russ. J. Phys. Chem. A. 2001. V. 75. № 7. P. 1043.]
  10. Benet J., MacDowell L.G., and Menduiña C. // J. Chem. Eng. Data. 2010. V. 55. P. 5465.
  11. Pitakbunkate T., Blasingame T.A., Moridis G.J.et al. // Ind. Eng. Chem. Res. 2017. V. 56. № 40. P. 11634.
  12. Thompson A.P., Aktulga H.M., Berger R. et al. // Comp Phys Comm. 2022. V. 271. P. 10817.
  13. Martin M.G., Siepmann J.I. // J. Phys. Chem. B. 1998. V. 102. P. 2569.
  14. Marrink S.J., de Vries A.H., Mark A.E. // Ibid. 2004. V. 108. № . 2. P. 750.
  15. Shinoda W., Shiga M., Mikami M. // Phys. Rev. B. 2004. V. 69. P 134103.
  16. Allen M.P., Tildesley D.J. Computer Simulation of Liquids. Oxford Scholarship Online, 2017. 641 p.
  17. Baidakov V.G., Protsenko S.P. // J. Phys. Chem. C. 2008. V. 112. № 44. P. 17231.
  18. Бретшнайдер С. Свойства газов и жидкостей. Инженерные методы расчета. М.-Л.: Химия, 1966. С. 63.
  19. Escobedo J., Mansoori G.A. // AIChE Journal. 1996. V. 42. № 5. P. 1425.
  20. Kondratyuk N., Lenev D., Pisarev V. // J Chem. Phys. 2020. V. 152. № 19. P. 191104.
  21. Захаров С.А., Писарев В.В. // Матем. Моделирование. 2023. Т. 35. № 4. С. 51. https://doi.org/10.20948/mm-2023-04-03
  22. Kostenetskiy P.S., Chulkevich R.A., Kozyrev V.I. // J. Phys.: Conf. Ser. 2021. V. 1740. P. 012050.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Dependences of surface tension on the density difference of ethane in liquid and gas phases obtained by MD modelling of pure ethane (squares) and in the experiment [2] (circles). The figures show the temperature in K at which the corresponding point was obtained.

Download (62KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Dependence of surface tension of methane and ethane mixture on the methane fraction in liquid (triangles) and gas (circles) phases for temperature 213 K. The figures show the pressure of the corresponding point in atm.

Download (49KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Part of the profile of methane and ethane densities at temperature 213 K and pressure 20 atm.

Download (69KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Dependence of interface thickness D in a mixture of methane and ethane determined for ethane (circles) and methane (squares).

Download (50KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Dependences of methane adsorption on the surface of a liquid film consisting of methane and ethane on the density difference of methane in the liquid and gas for a temperature of 213 K.

Download (72KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences