Transcript

K. U. Kholmatov, F. J. Keil

267

Journal of the University of Chemical Technology and Metallurgy, 46, 3, 2011, 267-274

MONTE CARLO SIMULATIONS OF PHASE EQUILIBRIA OF BINARY MIXTURESCONTAINING METHANE, ETHANE, n-PENTANE, NITROGEN, AND OXYGEN

COMPARISON WITH EXPERIMENTAL MEASUREMENTS AND PREDICTIONSOF PENG-ROBINSON EOS AND PERTURBED-CHAIN SAFT

K. U. Kholmatov, F. J. Keil

Hamburg University of Technology (TUHH),

Institute of Chemical Reaction Engineering,

Eissendorfer str. 38, 21073, Hamburg, Germany

E-mail: [email protected], [email protected]

ABSTRACT

������������������ ������� �� ������������� ���� ��������������� ������������ ��������������������� �

���������������������������������������������������������������������� ����� ������������ ����������

����������������������� �������������������������� ������������������������������������ �� ���! ��� �"#$���

��������������$%&������������������������������� �������������������������

'��� ���(�� ������� ��������� �������������������������������������� ���� ������ ���� ������ ���������

�����$%&��� ���! ��� �"#$�

Received 07 June 2011

Accepted 30 June 2011

INTRODUCTION

����������� �����������������������������

�������������������������������� � � ����

����������� �� ����������� �������� ������������

��������������������������������� ���������������

����������������������� �������������������

������� ��������� �� ���������������������������

�� ������ ��� �������������������� ������ �����������

�� � ������������������� ����������� ��������������

������� ����������� �����������������������

������������������������������������ ��� ��������

�� ����� ���������������� ���������������������

�� ���� �������� �������� ��������� ��������� �� ���

���������������������������������� ������������

������ ������������������������������������ ������

���������������������������� ������������������� � ���

��������������!���"��� ��#!"$����������� ���

#%�&$�'()������"�������*�����������'+)������"�������

*�����������������������&����',)����� ������� �

����� ����������������������������������� ���

���� � ��� � �� ������� ��-���������� �� ��� ��� �

����� �������������������������������������������

������� �

.�������� ������� � � ��� ����������

����������������� ������������� ������� �������

������������������������ ������� �������������� ���

������ ������������������� �'/)�����������������

������������������������������ ���� �����������

����������������� �� �������� ��������������������

���� ���������������������������� ������������#01%$

���������� � ������������������������������ �

2�������������� �������������� ���� ���� �����3���

% ������4����.����������� #3%4.$� '5�� 6)�� ���

3��� �2����� ���������������� '7�� 8)��-� �����

"����������3���.�����4����.����'9��(:)��

����;!��<��� �����������������'((��(+)�

METHODOLOGY AND MODEL

���������������� ����������� ����

3��� �% ������4����.���� ������� � ��

����������� ������� ������������ �����������������

������������������������� ��� �����������������

�������� ������ ������ � ��� ��������� ���� ���� ���

�� � �������� � ����� ������ �� ��������������� ���

���� ����������������4����.���� ��� ����������

�������������� �� ������� � � ���� ���� ���� �

Journal of the University of Chemical Technology and Metallurgy, 46, 3, 2011

268

���� �������������� ��������� ���������������

������������������� �

���� �������� ����������������3��� �� �����

#�� ���;0����� ��$�� ����������

������������������������#($

�������)���������������� ����������� �������� � ����

*+���*

++�������������� �������� �=���==���� ����

��������,�� ��������������������������#,�>�(?-.��������

-.�� �����@�A ��� ��$����"�� ����������������

������

����4�������� ��������������� �� ���'(,)����

����������� ������������������ �������������

���������4����.�������������������������/����/<(

� ������ ���#(�� /→ /01

$�������

������������#+$

���;!��3��� �% ������4����.���������

���������������� ����� ������������������������

������� �������� ���������� ������ ��� B

�����������������������������������������������������������#,$

������)+2�� ���������������������� ���� ����� �2��

������=���� �� ��������� ��� � ������� �����=����

� ��*+���*

++�������������

��������������������� ������ ���

������������ �������������������� �������

�������� ����� ������� ����������� ��������������

�������=����� ���������1����C�� �#1C$�(+�6����

������������� �� ��������� ��� ����������� �������

� ������������������B

������������#/$

���������/�� ������� �������������������� ��� ����

/������ ���������������������������������� �����/��ε�/

� ��������������������������������������3�/�� ����

1C� �@���D��� ����������������������������������

��������� ���������������� ��������������

����� �������������������� ��-��������������������

����� ��������������������������������

����1����@���������������������

#5$

������ ����������������������������������������

��� �

D��� ���������!!%�#�� ������������������

�� �����������$����������������4������&����

'(/)��������������������������� ���������

������!!%����������!������ ��&����� '(5)�� ���

�������������������������������- ��������'(6)����

����� ���

����1����C�� �������� ���������������

���������� �����������(�

����4����.���� ������� �������3��� ���

������������������������������������������

������������ ������� �

��� ������������� � �� ����������� ��������� �����

E�������������� ������������������������ ��� ���

��� ������� ������ ������� #!.�&E �$������ ��� ��

3�� ���&��� ���'(7)�� �� ��������� ������������ �

������������������������������ ������&E ��������

��� �������� �������������� �����������������

�����(�� ������������������

�.�4������������ �

Site ���B [K] � [Å] q [e] CH4 148.000 3.730 0.0 CH3 98.000 3.750 0.0 CH2 46.000 3.950 0.0 N (in N2) 36.000 3.310 -0.482 COM a (in N2) 0.0 0.0 +0.946 O (in O2) 49.048 3.013 -0.123 COM a (in O2) 0.0 0.0 +0.246

K. U. Kholmatov, F. J. Keil

269

���������������� ������������������������E��������

���������� � ���������� �@������� ����� ������

�� ��� ������������� ��������������������������

������� ���� ����� �� ����� �1����C�� ���������

%��� ������� ������������������ ������ ��� �������

����� ���� ����������� � ����� &�������� ��������

��� ���������������������� ��������������� ���

���������������������������������������%�����

��� �� ��� ���������� ��������-�������@�������

���� �������������������� ��� # �����

�����$��3����ε�#��������������� $�� �������� ������������������������������������������

������������3�� ���&��� ���'(7)�

RESULTS AND DISCUSSION

������������ �

&���������� ��� ���������������������� �������

��� ��������������������������������������������

�������������������������������������������

������������ ����(������ ������� �������������������

�������� ����� ��� � ���������������������������

���������&��@����D���� '(8)�� �����������

�����������'(9)���������������&�������&��� ��

'+:)��������������������������;=&��'+()�

������������������������ ������������������

���� �������� ����������������������� ���� ���

������ ���� �����������������������������������'++)B

�����������������������������#6$

������%(�� ���������� ������,�� ��������������������

�������������� ����� ����������������������

����������������� �'+,)B

������������#7$

������%+�� ����������� ���

������ �� �,���%�������������������������

������������������ �������

��� ����

"� ��� ������������������� ������� ��������

����� ��� ����������� ���� ��� �� ��� � �����!���

"��� ��%�&���������� ���������� ��� �����������

����� �������������� �������!���"��� ��%�&

������� �������������������������������������������� �

����� �����������������������4������������������� �

��� �������������������!�����������',+)��E ����

!���"��� ��%�&���� ����������������� � ������

�� ��������� ��� � ������������������������������

������ �������������������������� ���� �����������

������� ����������!���������.���&E ��

�� �������� ����

4��������������������� �������������

������� ���������� ��4����� ���������� �

���������� ������������ ����������������������� �

���������� ��������� � ��� ���� ����� � ���������� �

������&���������� ��� ������������ ��������� ����

# ���$������ �������� � �������������������(6:�

(7+�:/��(8:��(99�9,���+5:�*������� ������� ����+

����������������������������������������4��������

���'+/)��D�����������*��� ���'+6)��D���������'+6)�

����������� ����!���"��� ��%�&��E ��������

��������� ������������ ���� �������������� ������3���

% ������4����.���� ���������� ��� ����������

���������������������������������������������

�������� �� ���� ����� ���������� � �� ������� �� ���

������D������ ����������������������������� ����

������ ����������� ��!���"��� ��%�&� �� ���

���������������� ���� ���������������������� �������

��� ��� ���������������������������������������

��������� ��� ���� ������������������������ �����

��� ��-�������������� ������������������������ ��

��� ������������������������ ��������� �������

��(6:��(7+�:/��(8:���(99�9,�*�� �����������������

���+5:�*������������������������������ �����

����� �� �������������

�� ������������ ���

&���������� ��� ������������ ��������� ����

# ���$������ �������� � �������������������

,(:�89��,//�/5����,6:�:7�*������� ����� �� ����,

����������������������������������������"����������

'+7)����������� ����!���"��� ��%�&���!���������

.���&E ���E ������������������ ������������ ����

������������� ������3��� �% ������4����.���� ����

������� ��� ���������������������������������

���������������������������������������������������

���������� ��� ������������ � ������������ �������

���� ���� ������� ����� ���� � � � ������� �� ��� ����

������� � ����������������� ��� �

Journal of the University of Chemical Technology and Metallurgy, 46, 3, 2011

270

� ������������ ���

&�������� �� ��� � ���� ������� ��������� ��

���� # ���$������ ���� ���� � ��������� ������

�����+77�59��,(:�9,���,//�+6�*������� ������

����/� ���������������������������� �����������

"�����������'+8)����������� ����!���"��� ��%�&

�� !���������.��� &E ��� �� �������� �� ���

�����&��������������'+9)��E ������������������ ��

����������� ���� �������������� ������3��� �% �����

4����.���� ���������� ��� ����������������

���� ��� ����� ������ �� ���������� ������������

������������������������������������� ��� ������

�� ��� � ������D������ ����� � ����������������

����� ��������� ������������!���"��� ��%�&

��!���������.���&E ���� ��� ����������������� ��

��� ���,//�+6�*����������� ��� �

���� �� ��� � ��� ������� �������� ���� ���� ������

����������������������,(:�9,�*�����������������

Fig. 1. Vapor-liquid coexistence curve for methane, ethane, n-pentane, nitrogen and oxygen. Open symbols represent thesimulation results. The solid line represents experimental data for methane from Setzmann and Wagner [18], for ethane fromFriend et al. [19], for n-pentane by Smith and Srivastava [20], and for nitrogen and oxygen by NIST [21].

K. U. Kholmatov, F. J. Keil

271

������������������������������!���"��� �

%�&��� ��� ������� ��������� ���������� ��� �����

&�������� ��� ��� '+9)�������3��� � � ������4���

.���� ���������������� �������������������� ��

�������� ���� ���� ������� �������� #�!1&$������� ��

C���� ��������',:)��������� � ����������������

� ������ ���

�� ��������������

*������������� ������������������������ � �

�������������������� �� ��������������� ����

����� � � ���� ���� ���������������� �������

&���������� ��� ������������ ��������� �����#!���$

����� �������� � ���������������������85��(:5��

(+5�*������� ������� ����5������������������������

Fig. 2. Pressure-composition diagram for the methane - ethane system at 160, 172.04, 180, 199.93 and 250 K. Comparison ofour simulated results (squares) with the experimental data (circles) from Miller et al. [24], Wichterle and Kobayashi [25], Weiet al. [26], and predictions of Peng-Robinson EOS.

Journal of the University of Chemical Technology and Metallurgy, 46, 3, 2011

272

������������������2�����',()������������� ����!���

"��� ��%�&��D������ ����������������������

������� ����������������������!���"��� �

%�&��� ��� ������������������������ ���� ���85�

(:5���(+5�*����������� ��� �

���������������������������� ������ �

=� ����6��� ��� ���������������!���"��� �

%�&��������������� �������������������������

Fig. 4. Pressure-composition diagram for the ethane - n-pentane system at 277.59, 310.93 and 344.26 K. Comparisonof our simulated results (squares) with the experimental data(circles) from Reamer et al. [28], predictions of Perturbed-Chain SAFT and Peng-Robinson EOS, and simulated resultsfrom Serbanovic et al. [29].

Fig. 3. Pressure-composition diagram for the methane -n-pentane system at 310.89, 344.45, and 360.07 K.Comparison of our simulated results (squares) with theexperimental data (circles) from Reiff et al. [27], andpredictions of Perturbed-Chain SAFT and Peng-Robinson EOS.

�����������������������������������������

,//�*��E��������������� � ������������������ ����

������������+5:�*��E ���������������������� ����� ���

��������������� � ������ � ���������� �����������

CONCLUSIONS

����3��� �% ������4����.����� �� �����

���������������������������������������� ����������

K. U. Kholmatov, F. J. Keil

273

Fig. 5. Pressure-composition diagram for the nitrogen - oxygensystem at 85, 105 and 125 K. Comparison of our simulatedresults (squares) with the experimental data (circles) fromDodge [31], and predictions of Peng-Robinson EOS.

������������������������������3��� �% �����

4����.���� ������� ���������� ������������������

���������� ���������������������������

�������������������������������������� � ���

���� ��� ���������������������� ��&�����������

��� ���������������������� ��������� �������������

���������������������������������������

������ �������� ��������� ���������� �������� � �

��� ������������������������������������

������������������������ �������������������

������� ������������������������������������

������ ����!���"��� ��%�&���!���������.��

&E ���.����� ����� ���� �������� �� ��� ���������

��������� ��� ���� ������ ����3��� �% �����

4����.���� ������� ������� �������������������

�������������������������������� �������������� �

Acknowledgements&����������� ����� �5���������%-���������

%���������5���������������������- ��������

REFERENCES(��2�F��!����2����"��� ���E�;�������.� ��

%���������&�����=���%���.����� ������!"#�(976�

59�6/�

+�����"��������C�;�&��*����������������������

���&������ ��0��E�%���������&����� ������� ���

3 ��� �&������ ���.�����"�����$$��(9/9��+,,�+//�

,��3�� &�����%������������� �� � ��������������

"�������*�������������� �����.�����%���&�����%&�

(97+�� ((97�(+:,�

/��!��G�����������������E���������E�������� ����4��

������� &�������� �� �������� ��3 � =�� ����

�%.-;=!��!�� ��+::5�

5��E�H��!���������� ��2���������������������� �����

��� �������������� ��������� ����4����.���� �������

������� �������4������!�� ���'!��(987��8(,�8+6�

6��E�H��!���������� ��;��I�������4��&��������2�C�

����� �����!� ��������������� ��������������3���

� �������E�������������������������@�����

Fig. 6. Pressure-composition diagram for the methane -ethane system at 250 K, the methane - n-pentane system at344.45 K, and the ethane - n-pentane system at 344.26 K.Comparison of the experimental data (open symbols) forthe methane - ethane system at 250 K from Wei et al. [26],for the methane - n-pentane system at 344.45 K from Reiff etal. [27], for the ethane - n-pentane system at 344.26 K fromReamer et al. [28] with predictions of Peng-Robinson EOS.

Journal of the University of Chemical Technology and Metallurgy, 46, 3, 2011

274

��������� ����������� ��������� ����������

4������!�� ���'(��(988��5+7�5/5�

7��2�E��*������2������������������� ������� ����

������������ �������� ��� ��������� ���� ���

������������C��.�����!�� ���)*��(99,��/(/9�/(6+�

8��2�E��*������3��� �2�������������B�����������

���� ������� ����������� �� �� ����� ����� ������

������� ���������4������ !�� ��� &*�� (99,�� (,,(�

(,,6�

9��E�H��!���������� ��0��D����4�E�� �������!� �

%��������� ��� 1������ !������ � �����-� �����

"����������4����.����&������� ��4�������

����� ��(!��(998��9(+�9(8�

(:��C�C��!�������E�H��!���������� ��.�������������

�� ������������� ������������������1����

C�� ����������C��.�����!�� ���!+)��(998��(:9(/�

(:9+:�

((��.��*��������E��4������� C��D������� C�� � �����

0������������ ���������� ��� ����������1����

C�� ������ ����������;������ ��� �����������������

4������!�� ���*$��(995��,8(�,9/�

(+�� C��0������ C�� � ������0����� �������������������

������� ����������;������ ��� �����������������

4������!�� ���*"��(995��78(�79+�

(,��4�!��E�����2�C������� �����.��������&����������

1����� ���������G���� ����!�� ����������(989�

(/��4�3��4�����C�=��&�������� �������!������

����!� ��%����������(��G�����E����2� ����������

�E��� ��C��!�� ��.��������!+%��(998��+569�+577�

(5��C�C��!�������C�=��&������0��������������������

���������� ����������� �����������������

��������E=.�%�C���$&��+::(��(676�(68+�

(6��;��- ��� �E����E������ �C��*�����;��������������

��������� �������������������������������

����� ������������ ������� �� �����!� ��%����

�������%")�� +::7�� (8:�(88�

(7��C��3�� ��3��&��� ����!���������.���&E �B�E�%���

�������&����� ������!���������������������.��

4������� ��=���%���.�����"� ���$+��+::(��(+//�(+6:�

(8��G��&��@���D��D�����E�;���%���������&���

������ ����������������!�������� �����4����

��.�����������"������������4������1�����

6+5�*���!�� ��� �������(::�4!��C��!�� ��.����

"����2���%+��(99(��(:6(�((55�

(9��2�3�� ������-��=�����C� ��%������������� ���

!�������� ����%�����C��!�� ��.�����"����2���%+�

(99(�� +75�,/7�

+:����2��&������"��&��� ��������������� �2�

����!����.������ B�!���E�-�������� � �

*���� ��%� �������E� �������(986�

+(��;=&��.���� ����D������������B??��������� �����?

����� ���?��+::8�

++�� C�&��"���� ������D������4�����������������

.����������.���������������(98+�

+,��C�&��"���� ��� �1��&������1����� ���1�����

4������ ��,���������������������1�����(98+�

+/��"�.��4�������E�C��*�����4�C��-�@��1������<���

����������������������<����������������

<�����������(5:�::����(9:�::�*��C��.����������

������� ��)��(977��(67�(78�

+5��=��D����������"��*��� ����0����������������������

�������������� � �������������������� ��

�������� ��� ��C��.�����%���2���!&��(97+��9�(+�

+6��D��D������&��������E�C��*�����%�2��&����0���

<�1������%�����������������������&� ����4����

��<�%����<�.����2���������+,:�*���=�

.� ������������ ������������� ������+:7���

+7:�*��C��.�����%���2���$+��(995��7+6�7,(�

+7��D�%��"������!��!���� �3������*��1�� ��E� ����������

������������� � ���� #������<� ������$� ��������

������� ������ ������������������ ������ �

��� �"� ��� �����#������<������$��C��.����

����������� ��!)��(987��/67�/77�

+8��-�-��"��������-��&����D�;��1�����!� ��%����

������ ��-��������� &� ��� ��0���������� �

!� �����������������%�����!����&� �����C�

.�����%���2���"��(96:��//�5:�

+9��&�!��&���������4�1J��4�JJ�������=�"��"���������2�

2J���J������4�1J��*�J������%�4��2J���J������E�H�

� ����0����K�������������������������!1&�#���

����@���!������ �����1������&������� $������

��������� � ��� ������� ������ �<������� �

C��&�����.�����&�����&+��+::5��5+7�5,9�

,:��D�1��C���� ���C��2��4�����.�C��&�� ���������@��

��������������������������� ��������������������

�� ��C��E���.�����&�����!+'��(98/��66,8�66/6�

,(���� ��2������.�����4����%����(:��(9+7��6++��=�-�

*����"��2�������1������������G��!���������C�4�

!�� ��@��0��������������������������������� ���

����������� �� ��� �� ������?4�B�2%.-%4E

.���� ����2��&���� ��0����0=��(98+�

,+����%��!������C�4��!�� ��@��C�!���A.���������������

����� � ��� � � � �� ������ �� 5��� ����� ������� ����

4�3���-�����;�F���+::(�


Recommended