chemicallytechFine Chemical TechnologiesТонкие химические технологии2410-65932686-7575MIREA – Russian Technological University (RTU MIREA).10.32362/2410-6593-2021-16-4-273-286chemicallytech-1722Research ArticleTHEORETICAL BASIS OF CHEMICAL TECHNOLOGYТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИEnergy intensity of hydrocarbons in liquid and solid statesЭнергоемкость углеводородов в жидком и твердом состоянияхКабоГ. Я.КабоG. J.

Кабо Геннадий Яковлевич, д.х.н., профессор, профессор кафедры физической химии

220030, Минск, ул. Ленинградская, д. 14

Scopus Author ID 56261611100

 

Gennady J. Кабо, Dr. Sci. (Chem.), Professor, Professor of the Department of Physical Chemistry

14, Leningradskaya ul., Minsk, 220030

Scopus Author ID 56261611100

kabo@bsu.byhttps://orcid.org/0000-0003-2620-3749КабоЛ. А.KaboL. A.

Кабо Любовь Андреевна, студентка кафедры функционального анализа и аналитической экономики

220030, Минск, ул. Ленинградская, д. 14

Lubov A. Kabo, Student, Department of Functional Analysis and Analytical Economics

14, Leningradskaya ul., Minsk, 220030

alvykabo@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-8875-5568КарпушенковаЛ. С.KarpushenkavaL. S.

Карпушенкова Лариса Степановна, к.х.н., доцент, доцент кафедры физической химии

220030, Минск, ул. Ленинградская, д. 14

Scopus Author ID 6504468775

ResearcherID AAB-8934-2020

Larisa S. Karpushenkava, Cand. Sci. (Chem.), Associate Professor, Associate Professor of the Department of Physical Chemistry

14, Leningradskaya ul., Minsk, 220030

Author ID 6504468775

ResearcherID AAB-8934-2020

karpushenkava@bsu.byhttps://orcid.org/0000-0003-4778-5872БлохинА. В.BlokhinA. V.

Блохин Андрей Викторович, д.х.н., профессор, заведующий кафедрой физической химии

220030, Минск, ул. Ленинградская, д. 14

Scopus Author ID 7101971167

ResearcherID AAF-8122-2019

Andrey V. Blokhin, Dr. Sci. (Chem.), Professor, Head of the Department of Physical Chemistry

14, Leningradskaya ul., Minsk, 220030

Scopus Author ID 7101971167

ResearcherID AAF-8122-2019

Белорусский государственный университетБеларусьBelarusian State UniversityBelarus202123092021164273286Copyright © Кабо G.J., Kabo L.A., Karpushenkava L.S., Blokhin A.V., 20212021Кабо Г.Я., Кабо Л.А., Карпушенкова Л.С., Блохин А.В.Кабо G.J., Kabo L.A., Karpushenkava L.S., Blokhin A.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.finechem-mirea.ru/jour/article/view/1722

Objectives. The increased use of unmanned aerial vehicles necessitates the search for jet fuels based on hydrocarbon materials with high energy intensity and physical density. The purpose of the work was to analyze the influence of various factors on the mass energy intensity of hydrocarbons. This analysis is required to substantiate the algorithm for locating energy-intensive CnHm structures.Methods. Combustion energy was calculated using additive procedures. The calculations were performed using Microsoft Excel.Results. During the analysis of the mass energy intensity of CnHm hydrocarbons, the m/n ratio was discovered to be the decisive factor for achieving high values of the mass energy intensity of hydrocarbons. The energy intensity decreases when moving from alicyclic to cyclic hydrocarbons, and this decrease is not compensated by the production of strain energy. An additive scheme that allows the molar volume of hydrocarbons to be predicted with sufficient accuracy is proposed for calculating the volumetric enthalpies of combustion.Conclusions. According to the thermodynamic analysis, n-alkanes have the highest mass energy intensities. The technology for extracting n-alkanes from oil fractions is well developed, and a decrease in the hydrogen content in the fuel results in a decrease in the mass energy intensity. It appears improbable that the mass and volumetric energy intensities of hydrocarbons seem will reach their maximum values simultaneously. Hydrocarbons that have a high m/n value, 2, 3, 4, 5, 6-membered rings, and phenyl fragments may have relatively high mass and volumetric energy intensities at the same time.

Цели. Расширение сфер использования беспилотных летательных аппаратов требует поиска реактивных топлив с высокой энергоемкостью и физической плотностью на основе углеводородных материалов. Цель работы заключалась в проведении анализа влияния различных факторов на массовую энергоемкость углеводородов, необходимого для обоснования алгоритма поиска энергоемких структур CnHm.Методы. Энергия сгорания рассчитывались с использованием аддитивных процедур. Расчеты проводились в программе MS Excel.Результаты. В ходе проведенного анализа массовой энергоемкости углеводородов CnHm было установлено, что решающим фактором для достижения высоких значений массовой энергоемкости углеводородов является отношение m/n. При переходе от алициклических углеводородов к циклическим энергоемкость снижается, и данное снижение не компенсируется возникающей энергией напряжения. Предложена аддитивная схема, позволяющая с достаточной точностью предсказать молярный объем углеводородов для расчета объемных энтальпий сгорания.Заключение. Термодинамический анализ показал, что максимальной массовой энергоемкостью обладают н-алканы, технология извлечения которых из нефтяных фракций хорошо отработана, уменьшение же содержания водорода в топливе приводит к снижению массовой энергоемкости. Одновременное достижение максимальных значений массовых и объемных энергоемкостей углеводородов представляется маловероятным. Возможно, одновременно более высокой массовой и объемной энергоемкостью будут обладать углеводороды с высоким значением m/n, содержащие 2, 3, 4, 5, 6-ти членные циклы и фенильные фрагменты.

углеводородное топливоэнергоемкостьполициклические углеводородымассовая энтальпия сгоранияобъемная энтальпия сгоранияаддитивные расчетыhydrocarbon fuelenergy intensitypolycyclic hydrocarbonsmass enthalpy of combustionvolumetric enthalpy of combustionadditive calculationsРабота выполнялась в рамках задания 2.1.1 Государственной программы научных исследований «Химические процессы, реагенты и технологии, биорегуляторы и биооргхимия», 2021–2025 гг.ReferencesБакулин В.Н., Дубовкин Н.Ф., Котова В.Н., Сорокин В.А., Францкевич В.П., Яновский Л.С. Энергоемкие горючие для авиационных и ракетных двигателей. М.: Физматлит; 2009. 400 с. ISBN 978-5-9221-1091-4Bakulin V.N., Dubovkin N.F., Kotova V.N., Sorokin V.A., Frantskevich V.P., Yanovskii L.S. Energoemkie goryuchie dlya aviatsionnykh i raketnykh dvigatelei (Energy-intensive fuels for aircraft and rocket engines). Moscow: Fizmatlit; 2009.400 p. (in Russ.). ISBN 978-5-9221-1091-4Азов В., Воронцов Д. Последний бой углеводородов? Новости космонавтики. 2008;18(2):44–46.Azov V., Vorontsov D. The last fight of hydrocarbons? Novosti Kosmonavtiki = Cosmonautics News. 2008;18(2):44–46 (in Russ.).Григорьев А.А. Синтетические углеводородные ракетные горючие (пути снижения стоимости синтина). Катализ и нефтехимия. 2005;(13):44–52.Grigoriev А.А. Synthetic hydrocarbon rocket fuels (ways of synthine price decreasing). Kataliz i Neftekhimiya = Catalysis and Petrochemistry. 2005;(13):44–52 (in Russ.).Татевский В.М. Классическая теория строения молекул и квантовая механика. М.: Химия; 1973. 520 с.Tatevskii V.M. Klassicheskaya teoriya stroeniya molekul i kvantovaya mekhanika (Classical theory of molecular structure and quantum mechanics). Moscow: Khimiya; 1973. 520 р. (in Russ.).Яровой С.С. Методы расчета физико-химических свойств углеводородов. М.: Химия, 1978. 256 с.Yarovoi S.S. Metody rascheta fiziko-khimicheskikh svoistv uglevodorodov (Methods for calculating the physical and chemical properties of hydrocarbons). Moscow: Khimiya; 1978. 256 р. (in Russ.).Аверьков И.С., Демская И.А., Катков Р.Э., Разносчиков В.В., Самсонов Д.А., Тупицын Н.Н., Яновский Л.С. Анализ энергетических возможностей составных углеводородных горючих для кислородных двигателей космических ракетных ступеней. Космическая техника и технологии. 2017;19(4):46–51.Averkov I.S., Demskaya I.A., Katkov R.E., Raznoschikov V.V., Samsonov D.A., Tupitsyn N.N., Yanovskii L.S. Analysis of energy performance of composite hydrocarbon fuels for oxygen engines of space rocket stages. Kosmicheskaya Tekhnika i Tekhnologii (Space engineering and technology). 2017;(4):46–51. (in Russ.).Татевский В.М. (под ред.). Физико-химические свойства индивидуальных углеводородов: Справочник. М.: Гостоптехиздат; 1960. 412 с.Tatevskii V.M. (Ed.). Fiziko-khimicheskie svoistva individual᾽nykh uglevodorodov: Spravochnik (Physical and chemical properties of individual hydrocarbons: A Handbook). Moscow: Gostoptekhizdat; 1960. 412 p. (in Russ.).Zhang Z.-Y., Frenkel M., Marsh K.N., Wilhoit R.C. Enthalpies of Fusion and Transition of Organic Compounds. In: Part of Subvolume A «Enthalpies of Fusion and Transition of Organic Compounds» of Volume 8 «Thermodynamic Properties of Organic Compounds and Mixtures» of LandoltBörnstein – Group IV Physical Chemistry. Springer; 1995. 588 p. https://doi.org/10.1007/b55145Zhang Z.-Y., Frenkel M., Marsh K.N., Wilhoit R.C. Enthalpies of Fusion and Transition of Organic Compounds. In: Part of Subvolume A “Enthalpies of Fusion and Transition of Organic Compounds” of Volume 8 “Thermodynamic Properties of Organic Compounds and Mixtures” of LandoltBörnstein – Group IV Physical Chemistry. Springer; 1995. 588 p. https://doi.org/10.1007/b55145Kabo G.J., Blokhin A.V., Paulechka E. Roganov G.N., Frenkel M., Yursha I.A., Diky V., Zaitsau D., Bazyleva A., Simirsky V.V., Karpushenkava L.S., Sevruk V.M. Thermodynamic properties of organic substances: Experiment, modeling, and technological applications. J. Chem. Thermodyn. 2019;131:225–246. https://doi.org/10.1016/j.jct.2018.10.025Kabo G.J., Blokhin A.V., Paulechka E. Roganov G.N., Frenkel M., Yursha I.A., Diky V., Zaitsau D., Bazyleva A., Simirsky V.V., Karpushenkava L.S., Sevruk V.M. Thermodynamic properties of organic substances: Experiment, modeling, and technological applications. J. Chem. Thermodyn. 2019;131:225–246. https://doi.org/10.1016/j.jct.2018.10.025Блохин А.В. Энергетические состояния молекул в пластических кристаллах органических веществ. Химические проблемы создания новых материалов и технологий: Сб. cт. Вып. 2; под ред. О.А. Ивашкевича. Минск: БГУ; 2003:200–229. http://elib.bsu.by/handle/123456789/31676Blokhin A.V. Energy states of molecules in plastic crystals of organic substances. In: Chemical problems of creating new materials and technologies: Coll. of articles. 2nd ed. Ivashkevich O.A. (Ed.). Minsk: BSU; 2003:200–229 (in Russ.). http://elib.bsu.by/handle/123456789/31676Kabo G., Paulechka E., Frenkel M. Heat Capacities and Phase Transitions for the Dynamic Chemical Systems: Conformers, Tautomers, Plastic Crystals, and Ionic Liquids. In: Letcher T., Wilhelm E. (Eds.). Heat Capacities of Liquids and Vapours. Cambridge, UK: RSC; 2010. Р. 390–420. https://www.nist.gov/publications/heat-capacities-and-phase-transitions-dynamic-chemical-systems-conformers-tautomersKabo G., Paulechka E., Frenkel M. Heat Capacities and Phase Transitions for the Dynamic Chemical Systems: Conformers, Tautomers, Plastic Crystals, and Ionic Liquids. In: Letcher T., Wilhelm E. (Eds.). Heat Capacities of Liquids and Vapours. Cambridge, UK: RSC; 2010. Р. 390–420. https://www.nist.gov/publications/heat-capacities-and-phase-transitions-dynamic-chemical-systems-conformers-tautomersKabo G.Ya., Roganov G.N., Frenkel M.L., Thermodynamics and Equilibria of Isomers. In: Frenkel M. (Ed.). Thermochemistry and Equilibria of Organic Compounds. New York: VCH; 1993. 602 p.Kabo G.Ya., Roganov G.N., Frenkel M.L., Thermodynamics and Equilibria of Isomers. In: Frenkel M. (Ed.). Thermochemistry and Equilibria of Organic Compounds. New York: VCH; 1993. 602 p.Кабо Г.Я., Роганов Г.Н., Фенкель М.Л. Термодинамика и равновесия изомеров. Минск: Университетское; 1986. 224 с.Kabo G.Ya., Roganov G.N., Fenkel M.L. Termodinamika i ravnovesiya izomerov (Thermodynamics and equilibrium of isomers). Minsk: Universitetskoe; 1986. 224 p. (in Russ.).Кабо Г.Я., Роганов Г.Н. Принципы аддитивности энтальпий циклических углеводородов. Доклады АН БССР. 1986;30(9):832–835.Kabo G.Ya., Roganov G.N. Principles of additivity of enthalpies of cyclic hydrocarbons. Doklady AN BSSR = Reports of the Academy of Sciences of the BSSR. 1986;30(9):832–835 (in Russ.).Бенсон С. Термохимическая кинетика: пер. с англ. М.: Мир; 1971. 308 с.Benson S. Termokhimicheskaya Kinetika (Thermochemical Kinetics): transl. from Eng. Moscow: Mir; 1971. 308 p. (in Russ.). [Benson S.W. Thermochemical Kinetics. Methods for the Estimation of Thermochemical Data and Rate Parameters. New York: John Wiley & Sons, Inc.; 1968. 320 p.]Козина М.П., Мастрюков В.С., Мильвицкая Е.М. Энергия напряжения, геометрическое строение и константы спин-спинового взаимодействия циклических углеводородов. Успехи химии. 1982;51(8):1337–1373. https://doi.org/10.1070/RC1982v051n08ABEH002906Kozina M.P., Mastryukov V.S., Mil᾽vitskaya E.M. The Strain Energy, Geometrical Structure, and Spin–Spin Coupling Constants of Cyclic Hydrocarbons. Russ. Chem. Rev. 1982;51(8):765–787. https://doi.org/10.1070/RC1982v051n08ABEH002906Колесов В.П., Козина М.П. Термохимия органических и галогенорганических соединений. Успехи химии. 1986;55(10):1603–1632. https://doi.org/10.1070/RC1986v055n10ABEH003231Kolesov V.P., Kozina M.P. Thermochemistry of Organic and Organohalogen Compounds. Russ. Chem. Rev. 1986;55(10):912–928. https://doi.org/10.1070/RC1986v055n10ABEH003231Pimenova S.M., Lukyanova V.A., Ilin D.Y., Druzhinina A.I., Dorofeeva O.V., et al. Standard enthalpies of formation of dicyclopropyldinitromethane and tricyclopropylmethane. J. Chem. Thermodyn. 2019;132:316–321. https://doi.org/10.1016/j.jct.2018.12.040Pimenova S.M., Lukyanova V.A., Ilin D.Y., Druzhinina A.I., Dorofeeva O.V., et al. Standard enthalpies of formation of dicyclopropyldinitromethane and tricyclopropylmethane. J. Chem. Thermodyn. 2019;132:316–321. https://doi.org/10.1016/j.jct.2018.12.040Дикий В.В., Кабо Г.Я. Термодинамические свойства фуллеренов C60 и C70. Успехи химии. 2000;69(2):107–117. https://doi.org/10.1070/RC2000v069n02ABEH000535Diky V.V., Kabo G.J. Thermodynamic properties of C60 and C70 fullerenes. Russ. Chem. Rev. 2000;69(2):95–104. https://doi.org/10.1070/RC2000v069n02ABEH000535Karpushenkava L.S., Kabo G.J., Bazyleva A.B. Structure, frequencies of normal vibrations, thermodynamic properties, and strain energies of the cage hydrocarbons Cn Hn in the ideal-gas state. J. Mol. Struct.: THEOCHEM. 2009;913(1–3):43–49. https://doi.org/10.1016/j.theochem.2009.07.016Karpushenkava L.S., Kabo G.J., Bazyleva A.B. Structure, frequencies of normal vibrations, thermodynamic properties, and strain energies of the cage hydrocarbons Cn Hn in the ideal-gas state. J. Mol. Struct.: THEOCHEM. 2009;913(1–3):43–49. https://doi.org/10.1016/j.theochem.2009.07.016Аскадский А.А., Матвеев Ю.И. Химическое строение и физические свойства полимеров. М.: Химия; 1983. 248 с.Askadskii A.A., Matveev Yu.I. Khimicheskoe stroenie i fizicheskie svoistva polimerov (Chemical structure and physical properties of polymers). Moscow: Khimiya; 1983.248 p. (in Russ.).Татевский В.М., Грикина О.Е., Абрамчиков А.В., Ткачик З.А. Молекулярные объемы и плотности углеводородов, содержащих малые циклы и кратные связи. Вестник Московского университета. Сер. 2: Химия. 1983;24(1):27–31.Tatevskii V.M., Grikina O.E., Abramchikov A.V., Tkachik Z.A. Molecular volumes and densities of hydrocarbons containing small rings and multiple bonds. Vestnik Moskovskogo Universiteta, ser. 2: Khimiya = Moscow University Chemistry Bulletin. 1983;(1):27–31 (in Russ.).Грикина О.Е., Татевский В.М. Расчет энтальпий образования, молекулярных объемов и плотностей полициклических углеводородов. Вестник Московского университета. Сер. 2: Химия. 1988;29(1):22–26.Grikina O.E., Tatevskii V.M. Calculation of enthalpies of formation, molecular volumes and densities of polycyclic hydrocarbons. Vestnik Moskovskogo Universiteta, ser. 2: Khimiya = Moscow University Chemistry Bulletin. 1988;29(1):22–26 (in Russ.).Рукавишников В.В., Белик А.В. Прогноз плотности органических соединений в рамках нового приближения ANSAB. Известия Челябинского научного центра УрО РАН. 2006;33(3):16–19.Rukavishnikov V.V., Belik A.V. Prediction of the density of organic compounds in the framework of the new ANSAB approximation. Izvestiya Chelyabinskogo Nauchnogo Tsentra UrO RAN. 2006;33(3):16–19 (in Russ.).Карпушенкова Л.С., Кабо Г.Я., Блохин А.В. Многослойные углеродные нанотрубки–компонент энергоемких суспензионных реактивных горючих. Тонкие химические технологии. 2020;15(2):38–46. https://doi.org/10.32362/2410-6593-2020-15-2-38-46Karpushenkava L.S., Kabo G.Ya., Blokhin A.V. Stacked-cup multiwall carbon nanotubes as components of energy-intensive suspension jet fuels. Тonk. Khim. Tekhnol. = Fine Chem. Technol. 2020;15(2):38–46 (in Russ.). https://doi.org/10.32362/2410-6593-2020-15-2-38-46

The authors declare that there are no conflicts of interest present.