Сравнение методов расчета энтальпии парообразования бинарных азеотропных смесей

Цели. Расчет молярных энтальпий парообразования бинарных гомогенных смесей по изотермическим и изобарическим данным парожидкостного равновесия; сравнение результатов расчета молярных энтальпий парообразования по разным методам с экспериментальными данными.

Методы. Моделирование парожидкостного равновесия бинарных систем по уравнению «локальных составов» NRTL (Non-Random Two Liquid); термодинамические расчеты молярных энтальпий парообразования смесей в разных условиях парожидкостного равновесия.

Результаты. Получены массивы расчетных данных по молярным энтальпиям парообразования для 25 составов бинарных азеотропов (изотермические, изобарические условия фазового равновесия) и полного диапазона составов системы бензол–этанол при атмосферном давлении.

Выводы. Точность термодинамических методов расчета энтальпий парообразования бинарных азеотропных смесей по данным парожидкостного равновесия выше в 85% случаев для изотермических и в 75% случаев для изобарических условий. Учет влияния температуры на коэффициенты активности компонентов в жидкой фазе позволяет качественно верно воспроизводить значения избыточной молярной энтальпии как для составов азеотропов, так и для полного концентрационного диапазона системы бензол–этанол в изобарических условиях фазового равновесия жидкость–пар.

1. Карапетьянц М.Х. Химическая термодинамика. М.: Химия; 1975. 583 с.

2. Black C. Importance of thermophysical data in process simulation. Int. J. Thermophys. 1986;7(4):987–1002. https://doi.org/10.1007/BF00503853

3. Sandler S.I. Thermophysical properties: What have we learned recently, and what do we still need to know? Int. J. Thermophys. 1994;15(6):1013–1035. https://doi.org/10.1007/BF01458812

4. Oscarson J.L., Rowley R.L., Wilding W.V., Izatt R.M. Industrial need for accurate thermophysical data and for reliable prediction methods. J. Therm. Anal. Calorim. 2008;92(2): 465–470. https://doi.org/10.1007/s10973-007-8972-0

5. Solomonov B.N., Varfolomeev M.A., Nagrimanov R.N., Novikov V.B., Zaitsau D.H., Verevkin S.P. Solution calorimetry as a complementary tool for the determination of enthalpies of vaporization and sublimation of low volatile compounds at 298.15 K. Thermochimica Acta. 2014;589:164–173. https://doi.org/10.1016/j.tca.2014.05.033

6. Yu D., Chen Z. A theoretical analysis on enthalpy of vaporization: Temperature dependence and singularity at the critical state. Fluid Phase Equil. 2020;516:112611. https://doi.org/10.1016/j.fluid.2020.112611

7. Solomonov B.N., Yagofarov M.I. Compensation relationship in thermodynamics of solvation and vaporization: Features and applications. II. Hydrogen-bonded systems. J. Mol. Liq. 2023;372(2):121205. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2023.121205

8. Tyrer D. CLXXXVI. Latent heats of vaporization of mixed liquids. Part I. J. Chem. Soc., Trans. 1911;99:1633–1645. https://doi.org/10.1039/CT9119901633

9. Shivabasappа K.L., Nirguna Babu P., Jagannadha Rao Y. Enthalpy of mixing and heat of vaporization of ethyl acetate with benzene and toluene at 298.15 K and 308.15 K. Braz. J. Chem. Eng. 2008;25(1):167–174. https://doi.org/10.1590/s0104-66322008000100017

10. Захаров М.К., Егоров А.В., Подметенный А.А. Разделение жидких смесей и затраты теплоты при ректификации. Тонкие химические технологии. 2021;16(1):7–15. https://doi.org/10.32362/2410-6593-2021-16-1-7-15

11. Pashchenko L.L., Druzhinina A.I. Enthalpy of vaporization measurements by calorimetric techniques. J. Therm. Anal. Calorim. 2018;133(2):1173–1179. https://doi.org/10.1007/s10973-018-7370-0

12. Vicencio L.A., López-Porfiri P., de la Fuente J.C. Vapour pressure and vaporisation enthalpy for two key apple odorants, ethyl butyrate and ethyl hexanoate, at pressures from (15 to 105) kPa. J. Chem. Тhermodyn. 2020;142:105982. https://doi.org/10.1016/j.jct.2019.105982

13. Abdullah R.S., Solomonov B.N.. Sublimation/vaporization and solvation enthalpies of monosubstituted pyridine derivatives. Chem. Thermodyn. Therm. Anal. 2022;8(20):100087. https://doi.org/10.1016/j.ctta.2022.100087

14. Dong J.-Q., Lin R.-S., Yen W.-H. Heats of vaporization and gaseous molar heat capacities of ethanol and the binary mixture of ethanol and benzene. Can. J. Chem. 1988;66(4):783–790. https://doi.org/10.1139/v88-136

15. Tamir A. Prediction of latent heat of vaporization of multicomponent mixtures. Fluid Phase Equil. 1982;8(2): 131–147. https://doi.org/10.1016/0378-3812(82)80031-9

16. Ito T., Yamaguchi T., Akasaka R. Heat of vaporization of mixtures. Heat Transfer Japanese Res. 1996;25(1):12–24. https://doi.org/10.1002/(SICI)1520-6556(1996)25:1%3C12::AIDHTJ2%3E3.0.CO;2-1

17. Marchelli G., Ingenmey J., Hollóczki O., Chaumont A., Kirchner B. Hydrogen-bonding and vaporization thermodynamics in hexafluoroisopropanol-acetone and -methanol mixtures. A Joined cluster analysis and molecular dynamic study. ChemPhysChem. 2022;23(1):e202100620. https://doi.org/10.1002/cphc.202100620

18. Swietoslawski W., Zielenkiewicz A. Vaporization enthalpy of the homologous series of binary azeotropes. Rocz. Chem. 1958;32:913–922.

19. Tamir A. Compilation and correlation of binary azeotropic data. Fluid Phase Equil. 1981;5(3–4):199–206. https://doi.org/10.1016/0378-3812(80)80057-4

20. Жерин И.И. Фториды галогенов в технологии ядерного топлива. Термодинамика фазовых равновесий в системах, содержащих UF6, BrF3, IF5 и HF. Изв. Томского политехн. ун-та. 2003;306(6):8–11.

21. Neilson E.F., White D. The heat of vaporization and solution of a binary mixture of fluorocarbons. J. Phys. Chem. 1959;63(9):1363–1365. https://doi.org/10.1021/j150579a005

22. Pandey J.D., Srivastava T., Chandra P., Prashant R., Dwivedi P.K. Estimation of cohesive forces, energy of vaporization, heat of vaporization, cohesive energy density, solubility parameter and Van der Waals constant of binary liquid mixtures using generalized hole theory. Indian J. Chem. 2007;46A:1605–1610.

23. Bedretdinov F., Tsvetov N., Raeva V., Chelyuskina T. Research of the properties of binary biazeotropic mixtures. In: Proc. of the 46th International Conference of the Slovak Society of Chemical Engineering. Tatranské Matliare, High Tatras, Slovakia May 20–23, 2019. Bratislava; 2019. P. 171.

24. Раева В.М. Теплоты испарения бинарных смесей. Тонкие химические технологии. 2013;8(1):43–50.

25. Lenoir J.M., Hipkin H.G. Measured enthalpies of eight hydrocarbon fractions. J. Chem. Eng. Data. 1973;18(2): 195–202. https://doi.org/10.1021/je60057a026

26. Grigoriev B., Alexandrov I., Gerasimov A. Application of multiparameter fundamental equations of state to predict the thermodynamic properties and phase equilibria of technological oil fractions. Fuel. 2018;215:80–89. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2017.11.022

27. Tatar A., Barati-Harooni A., Partovi M., Najafi-Marghmaleki A., et al. An accurate model for predictions of vaporization enthalpies of hydrocarbons and petroleum fractions. J. Mol. Liq. 2016;220:192–199. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2016.04.069

28. Balabin R.M., Syunyaev R.Z., Karpov S.A.. Molar enthalpy of vaporization of ethanol–gasoline mixtures and their colloid state. Fuel. 2007;86(3):323–327. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2006.08.008

29. Gautam A., Kumar A.A.. Determination of important biodiesel properties based on fuel temperature correlations for application in a locomotive engine. Fuel. 2015;142:289–302. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2014.10.032

30. Abernathy S.M., Brown K.R. Predicting the enthalpy of vaporization and calculating the entropy of vaporization of 87 octane gasoline using vapor pressure. Open Access Library Journal (OALib. Journal). 2016;3(e2954):1–11. http://doi.org/10.4236/oalib.1102954

31. Akasaka R., Yamaguchi T., Ito T. Practical and direct expressions of the heat of vaporization for mixtures. Chem. Eng. Science. 2005;60(16):4369–4376. https://doi.org/10.1016/j.ces.2005.03.005

32. Benkouider A.M., Kessas R., Guella S., Yahiaoui A., Bagui F. Estimation of the enthalpy of vaporization of organic components as a function of temperature using a new group contribution method. J. Mol. Liq. 2014;194:48–56. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2014.01.006

33. Bolmatenkov D.N., Yagofarov M.I., Notfullin A.A., Solomonov B.N. Calculation of the vaporization enthalpies of alkylaromatic hydrocarbons as a function of temperature from their molecular structure. Fluid Phase Equil. 2022;554:113303. https://doi.org/10.1016/j.fluid.2021.113303

34. Bolmatenkov D.N.,Yagofarov M.I., Valiakhmetov T.F., Rodionov N.O., Solomonov B.N. Vaporization enthalpies of benzanthrone, 1-nitropyrene, and 4-methoxy-1-naphthonitrile: Prediction and experiment. J. Chem. Thermodyn. 2022;168:106744. https://doi.org/10.1016/j.jct.2022.106744

35. Bolmatenkov D.N., Yagofarov M.I., Sokolov A.A., Solomonov B.N. Vaporization enthalpies of self-associated aromatic compounds at 298.15 K: A review of existing data and the features of heat capacity correction. Part I. Phenols. Thermochimica Acta. 2023;721:179455. https://doi.org/10.1016/j.tca.2023.179455

36. Арутюнов Б.А., Мохаммед Ю.А. Термодинамический метод расчета теплоты парообразования бинарных смесей. Тонкие химические технологии. 2010;5(5):36–39.

37. Арутюнов Б.А., Мохаммед Ю.А., Аушева Е.В. Температурная зависимость теплоты парообразования чистых углеводородов и их бинарных смесей. Тонкие химические технологии. 2010;5(5):40–42.

38. Арутюнов Б.А., Рытова Е.В., Раева В.М., Фролкова А.К. Методы расчета теплот парообразования углеводородов и их смесей в широком диапазоне температур. Теор. основы хим. технологии. 2017;51(5):595–604. https://doi.org/10.7868/S0040357117050025

39. Tamir A., Dragoescu C., Apelblat A., Wisniak J. Heats of vaporization and vapor–liquid equilibria in associated solutions containing formic acid, acetic acid, propionic acid and carbon tetrachloride. Fluid Phase Equil. 1983;10(1):9–42. https://doi.org/10.1016/0378-3812(83)80002-8

40. Solomonov B.N., Yagofarov M.I., Nagrimanov R.N. Additivity of vaporization enthalpy: Group and molecular contributions exemplified by alkylaromatic compounds and their derivatives. J. Mol. Liq. 2021;342:117472. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2021.117472

41. Solomonov B.N., Yagofarov M.I. Compensation relationship in thermodynamics of solvation and vaporization: Features and applications. II. Hydrogen-bonded systems. J. Mol. Liq. 2023;372:121205. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2023.121205

42. Морачевский А.Г., Смирнова Н.А., Алексеева М.В., Балашова И.М., Викторов А.И., Куранов Г.Л., Пиотровская Е.М., Пукинский И.Б. Термодинамика равновесия жидкость-пар. Л.: Химия; 1989. 344 с.

43. Рид Р., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей; пер. с англ. Л.: Химия; 1982. 592 с.

44. Уэйлес С. Фазовые равновесия в химической технологии: в 2-х ч.; пер. с англ. М.: Мир; 1989. Ч. 1. 304 c.

45. Раева В.М., Анисимов А.В., Рыжкин Д.А.. Расчет энтальпий парообразования системы бензол–циклогексан. Изв. АН. Сер. хим. 2021;(4):715–721. https://doi.org/10.1007/s11172-021-3141-3

46. Ryzhkin D.A., Raeva V.M. Calculation of vaporization enthalpies of methanol–tetrahydrofuran–acetonitrile at atmospheric pressure. In: Proc. of the 23rd International Conference on Chemical Thermodynamics in Russia. Russia, Kazan, August 22–27, 2022. P. 298.

47. Carrero-Mantilla J., Llano-Restrepo M. Vapor–phase chemical equilibrium for the hydrogenation of benzene to cyclohexane from reaction-ensemble molecular simulation. Fluid Phase Equil. 2004;219(2):181–193. https://doi.org/10.1016/j.fluid.2004.02.009

48. Wang X., Xu W., Li Y., Wang J., He F. Phase equilibria of three binary systems containing 2,5-dimethylthiophene and 2-ethylthiophene in hydrocarbons. Fluid Phase Equil. 2016;409:30–36. https://doi.org/10.1016/j.fluid.2015.09.030

49. Chen G., Wang Q., Zhang L.-Z., Bao J., Han S.-J. Study and applications of binary and ternary azeotropes. Thermochim. Acta. 1995;253:295–305. https://doi.org/10.1016/0040-6031(94)02078-3