На правах рукописи

Кузнецов Александр Викторович

Физико-химические свойства газовой фазы при синтезе

мочевины по реакции Базарова

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени

кандидата химических наук

Специальность 02.00.04 – физическая химия

Москва – 2010

Работа выполнена в лаборатории химической термодинамики кафедры физической химии Химического факультета Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова.

Научный руководитель: доктор химических наук, профессор Воронин Геннадий Фёдорович

Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор Горохов Лев Николаевич доктор химических наук, профессор Чурагулов Булат Рахметович

Ведущая организация: Институт общей и неорганической химии имени Н. С. Курнакова РАН

Защита состоится « 3 » июня 2010 года в 15 часов 00 минут на заседании Диссертационного совета Д. 501.001.50 по химическим и физико-математическим наукам при Московском государственном университете имени М. В. Ломоносова по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, д. 1, стр. 3, Химический факультет МГУ, аудитория 446.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Химического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова.

Автореферат диссертации размещён на сайте Химического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова: www.chem.msu.ru Автореферат разослан « 29 » апреля 2010 года Учёный секретарь Диссертационного совета Д. 501.001.50, кандидат химических наук Матушкина Н. Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Выполненная работа проводилась в рамках инновационного сотрудничества Химического факультета МГУ и ООО УК «Уралхим». Она непосредственно связана с разработкой новой технологии промышленного получения карбамида – важнейшего продукта большой химии, состоящего практически полностью из мочевины, (NH2)2CO. В основе синтеза лежит известная реакция Базарова – превращение при повышенных температурах и давлениях аммиака и углекислого газа в мочевину и воду. Существующие технологии получения карбамида разработаны в 30-40-е годы прошлого века. По мнению специалистов они имеют ряд «узких» мест, которые приводят к излишним затратам энергии и снижению общей эффективности производства. Для модернизации действующих производств или разработки новых технологических схем на современном уровне необходимо, прежде всего, иметь детальное физикохимическое описание, модель процессов, происходящих на всех стадиях производства.

Есть несколько публикаций, в которых представлены аналогичные модели. Но они ориентированы на уже использующиеся технологии, поскольку разработаны на основе данных о равновесиях, кинетике химических и фазовых превращений, о динамике массо- и теплообмена при значениях температур, давлений, составов, характерных для существующих производств. То же касается возможностей моделировать технологический процесс производства карбамида с помощью некоторых известных коммерческих программных комплексов, в числе которых, например, Aspen +. Можно сказать, что это интерполяционные модели, они не позволяют корректно прогнозировать свойства интересующей системы в условиях, отличающихся от тех, которые использовались при их создании. Кроме того, за последние годы получены новые экспериментальные данные о свойствах интересующих веществ, а в практику физикохимических исследований вошли новые методы их расчётов и оценок. Поэтому для разработки новых технологий потребовалась и новая теоретическая модель происходящих в системе процессов. Этим объясняется необходимость постановки данной работы.

Обязательное условие для протекания реакции Базарова – присутствие в системе двух фаз, жидкости и газа, поскольку промежуточный продукт, карбамат аммония, из которого получается мочевина, существует только в жидкой фазе, а один из исходных реагентов, углекислый газ, в ней практически не растворяется. Из-за сложности рассматриваемой гетерогенной системы и специфических свойств каждой из фаз, составляющих «плав синтеза карбамида» (так принято у технологов называть эту двухфазную систему), целесообразно было анализировать и моделировать газовые и жидкие растворы раздельно. Эта работа посвящена преимущественно термодинамическим, квантово-химическим и статистическим расчётам свойств газовой фазы.

Цель работы заключалась в теоретическом анализе и количественном описании физико-химических свойств газовой фазы, участвующей в реакции синтеза мочевины из аммиака и углекислого газа, при температурах 150220 °С, давлениях 1220 бар и всевозможных составах системы, образованной тремя компонентами – NH3, CO2, H2O. Основой для этого анализа и описания были имеющиеся в литературе экспериментальные данные о свойствах составляющих систему веществ, результаты квантово-химических, статистических и термодинамических расчётов и оценок таких данных, если они отсутствовали или возникали сомнения в их достоверности. Работа состояла из следующих частей (и этапов).

(I). Поиск, оценка качества и систематизация опубликованных данных об интересующих свойствах (термодинамических функциях, молекулярном составе в парах, структуре молекул, их вращательных и колебательных спектрах, сжимаемостях газов, уравнениях состояния, вириальных коэффициентах) индивидуальных веществ (аммиака, диоксида углерода, воды, мочевины, биурета, других побочных продуктов синтеза), двухкомпонентных (аммиак – вода, диоксид углерода – вода) и трёхкомпонентного (аммиак – диоксид углерода – вода) газовых растворов.

(II). Определение качественного и количественного молекулярного состава газовой фазы «плава синтеза карбамида», сведения о котором были недостаточно обоснованными. На этом этапе:

1. Выполнен квантово-химический расчёт структуры, колебательного спектра и статистический расчёт термодинамических функций молекул мочевины, изомочевины, димеров мочевины;

2. Экспериментально изучены равновесия конденсированных фаз в системе мочевина – биурет; уточнены параметры стабильности твёрдой фазы биурета и мочевины относительно жидкой и газообразной фаз;

3. Термодинамически рассчитаны содержания мочевины, оценено содержание биурета, изоциановой и карбаминовой кислот в паре «плава синтеза» при различных температурах и давлениях;

(III). Расчёт уравнений состояния (EOS, от Equation Of State) семи газообразных систем: трёхкомпонентной NH3-CO2-H2O и шести составляющих её подсистем (NH3H2O, NH3-CO2, CO2-H2O, NH3, CO2, H2O). Вывод формул, позволяющих из полученных уравнений рассчитывать летучести, энтальпии и другие свойства рассматриваемой системы. Оценка качества полученной модели.

Научная новизна В результате расчётов методами квантовой химии и статистической термодинамики в этой работе, по-видимому, впервые (I) непосредственно учтена возможность существования ангармонических колебаний в спектре свободных молекул мочевины;

(II) определена величина энтальпии образования этих молекул, исходя из нулевых энергий молекул мочевины, аммиака, диоксида углерода и воды;

(III) корректно определена вращательная составляющая статистической суммы и энтропия мочевины в газе. В итоге составлены таблицы термодинамических свойств мочевины в состоянии идеального газа.

С помощью термодинамических расчётов и результатов квантово-химических и статистических вычислений, впервые доказано, что количества мочевины и продуктов побочных реакций: HNCO, (NH2CO)2NH, NH2COOH, в газовой фазе «плава синтеза карбамида» пренебрежимо малые, а для биурета эти выводы подтверждены экспериментально.

Выведены уравнения состояния, описывающие объёмные свойства рассматриваемой системы с погрешностями, которые существенно, от ~ 3 до нескольких десятков раз, меньше погрешностей, получающихся при использовании для этой системы других известных уравнений состояния Практическая значимость Теоретические и экспериментальные результаты диссертации могут быть использованы в Московском химико-технологическом университете имени Д. И. Менделеева, Московской государственной академии тонкой химической технологии имени М. В. Ломоносова, Институте общей и неорганической химии имени Н. С. Курнакова РАН, Институте физической химии РАН, Нижегородском государственном университете имени Н. И. Лобачевского, Санкт-Петербургском государственном университете, Тульском государственном университете, Уральском государственном университете имени А. М. Горького, Российском государственном аграрном университете – МСХА имени К. А. Тимирязева.

Полученные результаты также могут быть использованы при разработке новых технологий получения карбамида на предприятиях, производящих это удобрение, например, ОАО «Азот» (г. Березники) и других.

Личный вклад автора заключается в проведении поиска, анализа, выбора и оцифровки всех использованных в работе численных данных; программировании и расчёте термодинамических функций молекул методами статистической термодинамики по результатам работы программ квантово-химического моделирования; расчёте равновесий реакций образования побочных продуктов синтеза мочевины; выводе формул для определения термодинамических свойств системы по вириальным уравнениям состояния; проверке согласованности полученных результатов; экспериментальном изучении недостающих данных для биурета; участии в планировании и постановке конкретных задач диссертационной работы на всех этапах её выполнения, в обсуждении результатов, подготовке публикаций и докладов.

Публикации и апробация работы. По материалам диссертационной работы опубликовано 7 работ, в том числе 1 статья в российском научном журнале и тезисы 6 докладов, представленных на международных научных конференциях.

Основные результаты работы докладывались на XV-XVI Международных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва 2008XVIII Российской молодежной научной конференции «Проблемы теоретической и экспериментальной химии» (Екатеринбург, 2008); 20-й Международной конференции по химической термодинамике ICCT-2008 (Варшава, 2009);

XVII Международной конференции по химической термодинамике в России RCCTКазань, 2009).

Объём и структура работы. Диссертационная работа изложена на 158 страницах машинописного текста, иллюстрирована 46 рисунками и 28 таблицами. Список цитируемой литературы содержит 160 наименований. Работа состоит из введения, обзора литературы, расчётной части, результатов и их обсуждения, выводов, списка цитируемой литературы и приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель диссертационной работы и задачи, которые было необходимо решить для достижения поставленной цели. Перечислены основные результаты работы и положения, выносимые на защиту.

В обзоре литературы обобщены и критически проанализированы имеющиеся литературные данные о возможных составляющих веществах и фазовых равновесиях в тройной системе NH3–CO2–H2O, а также образующих её подсистемах меньшей размерности. Перечислены известные структурные и термодинамические свойства основных компонентов газовой фазы и образуемых ими растворов, а также способы аналитического представления термических уравнений состояния.

Учитывая принципиальную возможность образования в газе мочевины и её производных (iso-(NH2)2CO, [(NH2)2CO]2, (NH2CO)2NH, HNCO, C3H3N3O3 и др.), особое внимание уделено анализу соответствующих экспериментальных исследований, квантово-химических и статистических расчётов.

Имеющиеся в литературе результаты масс-спектральных, тензиметрических, спектроскопических экспериментов показывают, что в отсутствии воды и при температуре менее ~120-130 °С мономерные молекулы мочевины могут быть представлены в парах этого вещества в значительных концентрациях. Однако в присутствии воды уже при 150 °С с заметной скоростью идёт разложение паров мочевины на аммиак и изоциановую кислоту, HNCO, которая легко гидролизуется до аммиака и углекислого газа. Но в условиях синтеза мочевины такой процесс может тормозиться высоким давлением в системе, поскольку реакция гидролиза связана с увеличением количества газообразных веществ.

В литературе опубликованы результаты нескольких квантово-химических и статистических расчётов относительной устойчивости конформеров газообразной мочевины, энергетических барьеров протекания газофазных реакций с участием аммиака, углекислого газа, воды, мочевины и ряда молекулярных комплексов на их основе. При этом ни одна из них не была доведена до определения концентрации мочевины в газообразной фазе «плава синтеза». В других работах термодинамические функции газа мочевины рассчитаны некорректно, поскольку использовались экспериментальные значения колебательных частот кристаллической (или молекул, изолированных в аргоновой матрице), а не газообразной мочевины, ошибочные представления о плоской структуре (группа симметрии С2v) газообразных молекул мочевины и, как следствие, некорректно определялась вращательная составляющая статистической суммы.

Из-за присутствия в газовой смеси полярных (H2O, NH3) и малополярных (CO2) молекул и повышенного давления, возникают сложности адекватного описания её равновесных свойств. Наиболее часто с этой целью использовалось трёхпараметрическое уравнение состояния с температурно-зависимыми параметрами а и b, предложенное в работе [1]:

где b /( 4 ), – мольный объём, T – температура. Такое уравнение позволяет получить приближённое описание свойств индивидуальных газов или смесей, состоящих из молекул 14 различных веществ, для которых авторы [1] составили таблицы групповых вкладов в параметры (1). Из-за усреднения этих вкладов нет оснований ожидать от (1) высокой точности описания свойств конкретных интересующих нас систем. Действительно, выполненная нами проверка показала, что уравнение (1) в области температур, давлений и составов, оптимальных для синтеза мочевины, позволяет получить лишь грубые оценки свойств как индивидуальных газов, так и их растворов.

Так, для газообразной воды наблюдаются систематические, односторонние относительные отклонения экспериментальных и рассчитанных по уравнению [1] объёмов или плотностей (до +118%). Погрешности описания этих же величин для аммиака достигают +70%, для углекислого газа –18%, для водно-аммиачных смесей около +85%, для растворов углекислого газа и воды –8%, а для растворов NH3-CO2-H2O расхождение расчёта и эксперимента характеризуется систематическими отрицательными отклонениями в 38%. При этом погрешности экспериментальных работ составляют в среднем 0.1-0.3%, возрастая до 1-5% при больших плотностях газа. Исключением является тройная система, в ней точность определения объёмов, по-видимому, не лучше 10%. Иначе говоря, уравнение (1) неудовлетворительно описывает экспериментальные данные для бинарных систем, и непригодно для экстраполяции свойств на широкий интервал изменения температур, давлений и составов. На основании полученных результатов был сделан вывод о неадекватности количественного описания свойств рассматриваемой системы с помощью уравнения [1] и необходимости построения иного уравнения состояния.

Изложены общие подходы к описанию газовых растворов, перечислены «правила смешения» (т.е. соотношения, с помощью которых выводится уравнение состояния многокомпонентного раствора). Рассмотрен принцип соответственных состояний как одна из возможностей оценки неизученных экспериментально свойств веществ в газообразном состоянии. На основании представленной информации сделан вывод о целесообразности использовать вириальное уравнение состояния при описании газовой фазы системы аммиак – диоксид углерода – вода:

с температурно-зависимыми вириальными коэффициентами B, C, D, …:

здесь А – обобщённое обозначение вириальных коэффициентов в (2).

В качестве примера для раствора, содержащего три разных вида частиц с концентрациями у1, у2 и у3 мольных долей, применено следующее «правило смешения», связывающее между собой вторые вириальные коэффициенты индивидуальных газов и их смесей:

В тексте диссертации приведены формулы для расчёта старших вириальных коэффициентов (третьего, четвёртого и т. д.) для двух- и трёхкомпонентных растворов.

Описаны имеющиеся в литературе данные о термодинамических свойствах тройной системы NH3 – H2O – CO2. Указаны источники наиболее надёжной и полной информации о свойствах индивидуальных веществ, которые использованы в дальнейшем для определения параметров уравнений состояния. Расчёты в приближении идеальных газов проводились с использованием данных справочника JANAF.

Проанализированы сведения о свойствах бинарных смесей аммиак – вода и углекислый газ – вода. Показано, что во многих случаях использовать имеющуюся информацию для построения уравнения состояния нельзя, так как авторы получают экспериментальные величины, характеризующие парожидкостную смесь, а не каждую из фаз по отдельности. Из общего массива выделены данные, относящиеся исключительно к газовой фазе, а именно свойства смесей в закритическом состоянии, свойства насыщенного пара, свойства газа в однофазной области. Для системы аммиак – вода в дальнейших расчётах использовали ~150 экспериментальных (pVT)-данных в интервале температур 373773 К и давлений 1400 бар. Приблизительно такой же объём входных данных учитывался и для смесей углекислого газа с водой; температурный диапазон измерений составил 304-700 К, давлений – от 50 до 240 бар. Для растворов аммиака и углекислого газа при интересующих условиях данных практически нет.

Причиной этого является трансформация бинарной системы NH3-CO2 в трёхкомпонентную NH3 – H2O – CO2 в результате взаимодействия газов и образования в системе жидкой фазы. Наиболее надёжные данные о зависимостях между температурой, давлением, плотностью и химическим составом в газообразной тройной системе – это цикл экспериментальных исследований [2-4] и работа [5], в которой изучалась плотность жидкой фазы «плава синтеза карбамида». Последние данные были необходимы для выделения свойств газа из свойств гетерогенных смесей, которые, как правило, были объектами экспериментальных исследований.

В итоге обзора литературы сформулированы основные задачи и план исследования газовой фазы системы аммиак – диоксид углерода – вода:

1. Определение свойств веществ, которые могут присутствовать в газовой фазе «плава синтеза»;

2. Расчёт равновесного состава газовой фазы в условиях «плава синтеза» с целью определения концентраций образующих её молекул;

3. Построение уравнения состояния трёхкомпонентного реального газового раствора NH3 – H2O – CO2, описывающего имеющиеся литературные данные как по тройной системе, так и по составляющим её одно- и двухкомпонентным подсистемам.

В первой части главы дан краткий анализ методов и подходов, используемых при расчётах геометрических и энергетических характеристик молекул методами квантовой химии. Приведены основные формулы, связывающие молекулярные постоянные со статистическими суммами по состояниям и термодинамическими функциями газообразных веществ в приближении «жёсткий ротатор – гармонический осциллятор». Обобщены имеющиеся подходы к масштабированию гармонических волновых чисел колебаний при расчёте термодинамических свойств.

Во второй части главы представлены результаты квантово-химических расчётов молекул наиболее стабильных конформеров мочевины, изомочевины, димеров мочевины, молекул карбаминовой кислоты и биурета различными методами (Мёллера-Плессета второго порядка MP2, функционала плотности B97R, B3LYP, методом связанных кластеров с локальным учётом электронной корреляции LCCSD(T)).

Строение молекул анти- (C2) и син- (Cs) конформеров молекул мочевины и «ленточного» димера мочевины представлено на рис. 1, 2.

Используя геометрические и энергетические характеристики молекул, методами статистической физики были рассчитаны термодинамические свойства идеального газа мочевины, а также идеальных газов наиболее стабильного димера мочевины симметрии Ci и изомера: изомочевины H2N-C(OH)NH.

Расчёт функций идеального газа (NH2)2CO проводился в приближении «жёсткий ротатор – гармонический осциллятор». При этом для корректного учёта вклада вращательной составляющей в энтропию молекул конформера C2 было использовано эффективное число симметрии в операциях вращения, равное 1. Такое значение эфф получается из-за наличия поворотной оси вращения второго порядка в точечной группе симметрии молекулы C2 и существования двух энантиомеров с одинаковыми геометрическими и колебательными характеристиками.

В случае димера мочевины и молекулы карбаминовой кислоты NH2COOH число симметрии равно 1. Учёт ангармоничности при расчёте колебательного вклада в термодинамические функции конформера C2 позволил исключить из рассмотрения конформер Cs и обойтись без теоретически необоснованной процедуры масштабирования волновых чисел для соответствия расчётного и экспериментального колебательного спектра молекул мочевины, изолированных в аргоновой матрице.

Рис. 1. Строение анти-(а) и син-(б) конформеров молекулы мочевины. Полужирным шрифтом обозначены длины связей в, курсивом – валентные углы в градусах, рассчитанные методом LCCSD(T).

В таблице 1 перечислены волновые числа гармонических и ангармонических колебаний. Отношение волновых чисел, рассчитанных в двух приближениях, приведено в последнем столбце таблицы; видно, что оно не является величиной постоянной, как предполагается при использовании процедуры масштабирования.

Рис. 2. Строение молекулы «ленточного» димера мочевины, R. Полужирным шрифтом обозначены длины связей в, курсивом – валентные углы в градусах, рассчитанные методами МР2 и (в скобках) B97R.

Стандартные энтальпии реакций, записанные в общем виде iiBi = 0, находили по формуле:

где E и Ezpei – энергии молекулы на основном и нулевом колебательном уровне, i - стехиометрические коэффициенты.

В работе были вычислены энтальпии реакций образования мочевины, изомочевины, димеров мочевины. Определены энтальпии реакций взаимного превращения различных молекулярных форм мочевины, на основании статистического расчёта энтропий получены значения стандартных энергий Гиббса.

В зависимости от методов расчёта (MP2 или B97R) получены величины fH298.15((NH2)2CO), равные –219.63 и –236.14 кДж·моль-1, соответственно. Рассчитанная из экспериментальных данных [7] стандартная энтальпия образования (NH2)2CO, равная –235.35 кДж·моль-1, попадает в интервал значений, определённых нами. При этом расхождение в значении энтальпии образования, полученной методом B97R и на основании эксперимента, укладывается в интервал погрешности кДж·моль-1, которым обычно характеризуют качество расчёта термохимических свойств свободных молекул методами квантовой химии.

Таблица 1. Экспериментальные и рассчитанные волновые числа (в см-1) гармонических и ангармонических (ah) колебаний в молекулах мочевины С2.

*) обозначения колебаний: - валентные, - маятниковые, - деформационные, - крутильные, - веерные, s – симметричные, as – антисимметричные.

Расчёт реакции димеризации мочевины в газовой фазе. Полученные значения термодинамических функций мономера, изомера и димера мочевины позволили оценить количества этих форм в насыщенном паре мочевины и решить вопрос о необходимости их учёта при нахождении термодинамических функций газа.

При температуре синтеза и стандартном давлении мочевина должна находиться в жидком состоянии, но экспериментально свойства жидкой мочевины практически не изучались. Для определения температурной зависимости давления насыщенного пара использовали данные о сублимации твёрдой мочевины, а также температуру и энтальпию плавления (NH2)2CO, уточнённую в настоящей работе по результатам термоаналитических измерений. Расчёт равновесной концентрации димерных молекул в парах мочевины показал, что их мольная доля х в насыщенном паре при низких температурах и давлениях пренебрежимо мала и увеличивается с ростом температуры и давления насыщенного пара (х = 0, 0.0007, 0.0042, 0.0157 при Т = 400, 500, 600, 700 К соответственно). Таким образом, вклад димера даже при 700 К составляет порядка 1% по отношению к мономерной мочевине. Вклад изомочевины ещё менее значимый ~10-5%. Так как во всех реакциях изо- и полимеризации мочевины равновесие оказывается смещённым в сторону (NH2)2CO, вкладом других возможных её форм в термодинамические функции пара можно пренебречь.

Определение содержания мочевины в газовой фазе. Одна из задач, сформулированных при постановке настоящего исследования, заключалась в необходимости учёта мочевины в газовой фазе при расчётах химических равновесий в условиях «плава синтеза». Равновесную концентрацию мочевины в паре рассчитывали исходя из уравнения реакции:

С учётом уравнений материального баланса:

и закона Дальтона, получено следующее выражение для константы равновесия реакции с участием идеальных газов (стандартное давление, p°=1 бар, p – общее давление в системе):

Начальные количества компонентов в газе задавали по результатам расшифровки данных о составе газовой фазы из работ [2-4]. Это обеспечивало соответствие полученных в ходе расчёта значений мольных долей условиям синтеза мочевины в промышленности (p = 50151 бар, t = 140180°C). Исходный состав смесей варьировали в пределах noNH3/noCO2 = 25, noH2O/noCO2 = 0.10.5.

Таблица 2. Стандартная энергия Гиббса и константа равновесия реакции (6) Стандартные энергии Гиббса и константы равновесия реакции образования мочевины при разных температурах приведены в таблице 2. Равновесная мольная доля мочевины в паре составила порядка 10-6 мольных долей или 0.0001%.

Чтобы учесть влияние неидеальности газовой фазы на её состав двумя различными способами оценивались коэффициенты летучести участников реакции. Для этого использовано уравнение состояния [1]. Так как данных, относящихся непосредственно к мочевине, в работе [1] нет, её параметры в уравнении состояния находили, комбинируя известные параметры для аммиака. Эти оценки дали содержание мочевины в паре при интересующих условиях ~0.001-0.01 мольных процента. С той же целью коэффициенты летучести веществ оценивали с использованием принципа соответственных состояний. Основу таких расчётов составляют сведения о критических параметрах веществ. Экспериментальных данных о критической температуре и давлении мочевины нет, в работе [8] цитируются значения, приведённые в [9], в соответствии с которыми Тс = 705 K и pc = 90.8 бар. Так как способ определения этих величин неизвестен, в настоящей работе они оценивались заново. По экспериментальным данным об энтальпиях и энтропиях сублимации и плавления мочевины были рассчитаны энтальпия (60.22 кДж·моль-1) и энтропия её испарения (130.2 Дж·моль-1·К-1) при ~370 К, а также оценена температура кипения мочевины при давлении 1.103 бар (Тb = 462.5 К). По методу Лидерсена, суммированием вкладов от различных фрагментов молекулы, получены значения критической температуры Тс = 702 К, давления pc = 90.4 бар и плотности с = 0.385 г·см-3. Параметры, использованные при расчётах поправки на неидеальность газовой фазы реакции образования мочевины из аммиака и двуокиси углерода, приведены в таблице 3. В этом варианте оценка концентрации мочевины в равновесной смеси веществ, участвующих в реакции (6), даёт величину ~10-5 мольных долей или 0.001%.

Таким образом, учёт поправки на неидеальность газов не изменяет вывода о пренебрежимо малом содержании мочевины в газовой фазе «плава синтеза карбамида». Следует отметить, что полученная нами величина предельной концентрации мочевины ~10–4 мольных долей существенно, на 1-2 порядка, ниже, чем указывается в работах [10, 11].

Таблица 3. Критические свойства и коэффициенты летучести веществ, использованные при расчётах поправки на неидеальность газового раствора в реакции (6).

Аналогичные расчёты равновесий в газовой фазе с участием молекул изоциановой и карбаминовой кислот, биурета показали, что вклад этих побочных продуктов в термодинамические свойства газовой фазы также незначителен, и им можно пренебречь. Для биурета такой вывод частично проверен экспериментально: ИК-спектры газов, выделяющихся при нагревании биурета и мочевины до температур осуществления реакции Базарова (при атмосферном давлении), не содержат следов иных молекул, кроме NH3, CO2 и H2O. Это подтвердило результаты расчёта: вклад побочных продуктов ниже предела обнаружения.

На завершающем этапе выполнения расчётной части работы были выведены уравнения состояния, адекватно описывающие имеющиеся экспериментальные данные газообразных трёхкомпонентных смесей аммиака, воды и углекислого газа, составляющих их бинарных газовых растворов (NH3–H2O, CO2–H2O) и индивидуальных веществ (NH3, H2O, CO2) в интервале температур 150-220 °С и давлений 1220 бар.

Корректная термодинамическая модель многокомпонентной системы, в том числе и уравнение состояния, должны удовлетворять граничным условиям 1. Поэтому при определении параметров модели в диссертационной работе были использованы данные о свойствах не только непосредственно рассматриваемой сложной системы, но и всех более простых подсистем, из которых она образуется.

Для описания свойств газовой фазы в системе NH3-H2O-CO2 и во всех 6 составляющих её подсистемах использовали EOS в вириальной форме (2)-(3) с правилами смешения (4). Неизвестные параметры находили при аппроксимации этими уравнениями имеющихся численных данных о зависимости между давлением, объёмом и температурой в рассматриваемых системах. Для описания экспериментальных данных в работе вместо бесконечных рядов использованы полиномы со сравнительно небольшим числом варьируемых параметров, которые, строго говоря, не являются истинными вириальными коэффициентами ряда (2) 2. Практика подобных расчётов показала, что если pVT-зависимости содержат данные для сильно разреженных газов, то по начальным коэффициентам аппроксимирующего полинома можно с хорошей точностью определить значение второго и, существенно хуже, третьего вириального коэффициента.

В диссертационной работе был использован нетрадиционный способ нахождения параметров уравнения состояния. Обычно в качестве критерия соответствия выбранного уравнения состояния экспериментальным данным используют наилучшее (в смысле метода наименьших квадратов, функции максимального правдоподобия) описание фактора сжимаемости Z(p, V, T). Преимуществом выбора такого критерия является линейность системы нормальных уравнений, которую приходится решать, относительно неизвестных параметров модели. Это видно на примере уравнения (2), если ограничить его правую часть некоторым числом слагаемых. Недостатком такого подхода является необходимость минимизации отклонения функции, которая не является величиной экспериментально измеряемой. Поскольку из набора трёх переменных p, V, Т независимыми являются только две величины, и точно моделировать связывающую их функцию (p, V, T) невозможно, очевидно, что решение найденного таким способом модельного уравнения состояния относительно объёмов даст при одних и тех же p, Т величины Vс (здесь и далее подстрочный индекс (с) обозначает рассчитанные величины), отличающиеся от заложенных в расчёт исходных V. Этот недостаток можно устранить, используя итерационную процедуру уточнения начального решения. Но сходимость такого процесса не исследована, поэтому его успешное завершение не гарантировано 3.

Т.е. уравнения, описывающие свойства сложной системы при подстановке в них химического состава соответствующих подсистем, должны корректно описывать свойства систем меньшей размерности.

Следует учесть, что параметры полученных усечённых рядов обозначаются далее в тексте так же, как и соответствующие им вириальные коэффициенты бесконечного ряда (2).

Погрешности измерения плотностей обычно превышают погрешности давлений и температур, поэтому основная составляющая погрешности функции Z – это погрешность её аргумента V. Статистическим обоснованием определения неизвестных параметров уравнения методом наименьших квадратов является, как известно, условие, что случайные величины – это значения функции, а её аргументы известны точно. Если, как в данном случае, такое условие нарушается, то следует применять метод, который называют конфлюэнтным анализом.

Но, насколько нам известно, ни в одной из опубликованных по уравнениям состояния работ этого нет.

В работе для поиска параметров модели был выбран способ прямой нелинейной оптимизации с целевой функцией в виде суммы квадратов относительных отклонений рассчитываемых и исходных мольных объёмов, (Vc – V)/V. При этом требовалось задавать начальные приближённые значения параметров вириального разложения и решать полученное уравнение на каждом шаге процедуры оптимизации. Начальное приближение находилось решением упомянутой выше линейной задачи. Это позволило определить параметры для уравнения состояния, которое полностью согласовано с Vc(p,T), Zс(p,Vc,T) и любыми другими термодинамическими функциями рассматриваемой системы. Одновременно такой подход гарантировал возможность численного решения полученного уравнения состояния относительно V во всем заданном интервале температур, давлений и плотностей.

Результаты расчётов. Для аммиака оптимальные результаты получены при описании исходных данных уравнениями (2)-(3) с 18 коэффициентами, которые приведены в таблице 4.

На рис. 3 показаны погрешности аппроксимации исходных данных для аммиака. Максимальное отклонение рассчитанных и исходных значений мольных объёмов составило 0.35%, среднее отклонение – 0.03%, среднеквадратичное – 0.04%. На рис. видно, что погрешности описания возрастают с увеличением плотности газа, разброс данных приблизительно симметричный относительно линии нулевого отклонения.

В среднем расчётные значения относительных объёмов отклоняются от этой линии на 0.001%, что в абсолютном измерении составляет 0.4 см3·моль-1.

Рис. 3. Результаты аппроксимации данных о мольных объёмах аммиака (а) вириальными разложениями (2)-(3) со значениями коэффициентов, приведёнными в таблице 4, (б) – уравнением состояния [1].

Погрешности описания свойств аммиака в выбранном диапазоне изменения параметров состояния не выходят за пределы допустимых погрешностей исходных величин, поэтому можно сделать вывод, что полученные результаты адекватно отображают имеющиеся экспериментальные данные Результаты оптимизации исходных данных для углекислого газа представлены в таблице 5.

Таблица 5. Коэффициенты уравнений (2)-(3) для углекислого газа.

В/(см ·моль-1) Максимальная погрешность аппроксимации составляет 0.52%, среднеквадратичная ошибка – 0.09%, средняя –0.04 %. Качество описания исходных данных несколько хуже, чем для аммиака, но не выходит за допустимые пределы.

В таблице 6 показаны результаты расчётов коэффициентов ряда (2) для воды.

Максимальная погрешность описания мольных объёмов – 0.36%, среднеквадратичная погрешность – 0.02%, и средняя – 0.07%. Отклонения разных знаков более или менее симметрично распределены относительно нулевой линии.

Таблица 6. Коэффициенты уравнений (2)-(3) для газообразной воды.

В/(см ·моль-1) В настоящей работе задача определения вириальных коэффициентов специально не ставилась. Поэтому согласие значений вириальных коэффициентов, полученных нами и имеющихся в литературе, можно рассматривать как доказательство корректности предложенной модели. На рис. 4 представлены температурные зависимости вторых вириальных коэффициентов аммиака, BA(Т), и углекислого газа, BС(Т), рассчитанные с помощью параметров вириального уравнения состояния, приведённых в таблицах 4 и 5, и литературных данных из справочного издания [12]. Так, для аммиака в работе [12] приведено уравнение вида:

BA(Т)/(см3·моль-1) = 1.5198102 – 2.0281105/T + 8.1489107/T 2 – 1.72481010/T 3, (8) в то время как нами получено BA(Т)/(см3·моль-1) = 3.4852255101 –4.6088707104/T + Стандартная ошибка определения второго вириального коэффициента аммиака в интересующем нас интервале температур по разным источникам оценивается в 1-5%.

Различие между нашими и литературными данными не выходит за эти пределы. Например, максимальная разность значений ВА, рассчитанных по формулам (8) и (9), составляет 3.8%.

О близости значений вторых вириальных коэффициентов углекислого газа, рассчитанных нами и представленных в литературе, можно судить по рис. 4 б: в пределах 6.4% они согласуются между собой. При этом стандартные ошибки определения коэффициента ВC при температурах 400-500 К по уравнению:

ВC(Т) = 5.74101 –3.8829104/T +4.2899105/T 2 –1.4661109/T 3, (10) оцениваются авторами [12] в 10-18%.

BA( T ) / (см •моль ) Рис. 4. Сравнение значений второго вириального коэффициента, рассчитанных по данным таблиц 4 и 5, с литературными данными: (а) для аммиака, (б) для диоксида углерода.

Уравнения состояния двойных растворов конструировали с помощью параметров, характеризующих вклады индивидуальных компонентов и смешанных коэффициентов, значения которых были получены при аппроксимации имеющихся pVTyданных бинарных смесей. Результаты расчётов системы аммиак-вода представлены в таблице 7. Для сокращения в эту таблицу не включены значения коэффициентов, которые можно получить, пользуясь сведениями из таблиц 4 и 5. Записанное ниже выражение для третьего вириального коэффициента газообразного водного раствора аммиака показывает, как с помощью данных таблиц 4, 5 и 7 получаются конкретные формулы для расчёта параметров вириальных разложений (2)-(3):

CAW/(см3·моль-1)2 = (1.1307862104 –1.0491584107/T +3.3491914109/T ) yA3 + (–6.8036245104 + 3.1398281107/T) yA2 yW +(7.1184226104 –4.6071989107/T) yA yW2 + (–6.0252504104 + 8.2936085107/T –2.78939601010/T ) yW3. (11) Максимальная погрешность для объёмов и сжимаемостей составляет 2.55%, среднеквадратичная и средняя – 0.63 и 0.44% соответственно. Результаты расчётов с вириальным уравнением состояния (2), (3) и с помощью уравнения [1] иллюстрирует рис. 5. Дополнительно на график нанесены результаты расчётов с уравнениями состояния, используемыми в программном комплексе Aspen+, который часто применяют для технологических расчётов. В основу модели Aspen+ положено кубическое уравнение состояния, аналогичное по форме уравнению из работы [1] (см. «Литературный обзор»). Принципиальным его отличием является совместное описание обеих фаз «плава синтеза» единым уравнением состояния.

Таблица 7. Параметры для расчёта коэффициентов EOS (2)-(3) в системе NH3-H2O, все a3 = 0.

Рис. 5 иллюстрирует качество описания исходных данных системы NH3-H2O ( экспериментальных точек) с помощью уравнения состояния из программного комплекса Aspen+, ver. 7.1. Средняя погрешность составила 2.78%, максимальная – 51.86%.

Рис. 5. Сравнение результатов аппроксимации экспериментальных данных о мольных объёмах газовых растворов NH3-H2O уравнениями состояния (2)-(3), [1], и программным комплексом Aspen+, ver. 7.1.

При рассмотрении рис. 5 можно видеть, что в целом описание объёмов двойной системы уравнением состояния [1] и предложенным в Aspen+ аналогично. В обоих случаях наблюдаются систематические положительные отклонения рассчитанных объёмов смесей по сравнению с экспериментальными. При этом величина максимального отклонения в случае модели [1] почти вдвое больше.

Максимальная погрешность аппроксимации объёмов системы СО2-Н2О составила 0.08%, средняя и среднеквадратичная – 0.04 и 0.05%. Качество описания газовых растворов углекислого газа и воды было проверено на 151 экспериментальном значении объёма смесей разного состава (рис. 6).

Как видно из рис. 6, описание двойной системы с помощью модели из Aspen+ существенно лучше, чем с [1]: значения максимальных погрешностей меньше, а сами погрешности более равномерно расположены относительно нуля. Средняя погрешность описания данных в ASPEN+ составила 0.75%, максимальная погрешность 2.1%.

В случае модели [1] наблюдаются односторонние отрицательные отклонения рассчитанных объёмов смесей по сравнению с экспериментальными значениями. В модели Aspen+ расположение около нуля более равномерное, но назвать его статистическим нельзя. При этом оба варианта существенно уступают модели, предложенной в настоящей работе.

Рис. 6. Сравнение результатов расчёта объёмов системы СO2-H2O по EOS (2)-(3), из [1], и из программного комплекса Aspen+, ver. 7.1.

Уравнения состояния газовых растворов NH3-CO2 и NH3-CO2-H2O были рассчитаны с использованием имеющихся 23 наборов экспериментальных значений (p, V, T, y1, y2). Из-за небольшого числа экспериментальных данных и их существенно меньшей точности по сравнению с данными для индивидуальных компонентов и двойных систем NH3-H2O, CO2-H2O, полученная оптимальная модель EOS характеризуется заметно большими погрешностями. На рис. 7 показаны расхождения между расчётными и экспериментальными данными для системы NH3-CO2-H2O. Средняя погрешность описания экспериментальных величин вириальным EOS составляет 4.3%, а максимальная погрешность достигает 15.8%. Однако, это заметно лучше, чем при расчёте с помощью уравнения состояния из программного комплекса ASPEN+, ver. 7.1, при котором средняя погрешность описания данных равна 11.5%, а максимальная – 39.6%. На рис. 7 можно видеть, что использование уравнения состояния из [1] и из Aspen+ приводит к близким результатам (максимальная погрешность [1] в этом случае равняется 38.0%). Сравнить результаты расчётов для системы NH3-CO2, как уже упоминалось, не представляется возможным из-за отсутствия экспериментальных данных.

Рис. 7. Описание мольных объёмов газовых растворов NH3-CO2-H2O уравнениями состояния: EOS (2)-(3), [1], и из программного комплекса Aspen+, ver. 7.1.

Обращает на себя внимание тот факт, что уравнение [1], очень плохо описывающее pVT-данные индивидуальных веществ и двойных систем, в случае тройной системы даёт максимальную ошибку, которая лишь в 2.4 раза больше, чем в этой работе. Причиной этого может быть взаимная компенсация ошибок в параметрах уравнения (1), относящихся к свойствам отдельных компонентов. Действительно, анализ результатов расчёта для систем меньшей размерности показал, что уравнение [1] систематически завышает данные для воды и занижает их для диоксида углерода, а для аммиака даёт ассиметричную картину положительных и отрицательных отклонений (см. рис. 3 б). Соответственно, только положительные и только отрицательные погрешности получаются при расчётах систем NH3– H2O и CO2 – H2O (см. рис. 5, 6).

Несмотря на различающиеся на несколько порядков погрешности аппроксимации экспериментальных данных в разных системах, можно утверждать, что предложенные в работе уравнения состояния, в отличие от других имеющихся в литературе аналогов, адекватно отображают эти данные во всех рассмотренных системах. Поэтому полученные результаты можно считать, по-видимому, лучшим на сегодняшний день решением поставленной задачи.

РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. На основании данных, полученных с помощью квантово-химических и статистических расчётов, составлены таблицы термодинамических функций идеального газа мочевины. Впервые был произведён корректный учёт вращательной составляющей энтропии газа, ангармоничности колебаний, квантовохимически определена величина энтальпии образования мочевины в газе. Произведён учёт возможных молекулярных форм, димеров и изомеров мочевины, в газе. Показано, что при температурах до 700 К их вклад в свойства газообразной мочевины незначителен.