يونيفاك

تم حساب منحنى التوازن الأيزوتروبي السرج باستخدام برنامج UNIFAC عند ضغط جوي واحد. الخطوط الحمراء تمثل تركيبات البخار، والخطوط الزرقاء تمثل تركيبات السائل. يتم تدوير الصورة لإظهار شكل منحنى التوازن بين البخار والسائل بشكل أوضح.

في الديناميكا الحرارية الإحصائية ، تُعدّ طريقة UNIFAC ( معاملات نشاط المجموعات الوظيفية UNIQUAC ) [ 1 ] نظامًا شبه تجريبي للتنبؤ بنشاط المواد غير الإلكتروليتية في الخلائط غير المثالية . تستخدم UNIFAC المجموعات الوظيفية الموجودة على جزيئات الخليط السائل لحساب معاملات النشاط . وباستخدام التفاعلات لكل مجموعة وظيفية على الجزيئات، بالإضافة إلى بعض معاملات التفاعل الثنائي، يُمكن حساب نشاط كل محلول. يُمكن استخدام هذه المعلومات للحصول على معلومات حول توازن السوائل، وهو أمر مفيد في العديد من الحسابات الديناميكية الحرارية، مثل تصميم المفاعلات الكيميائية وحسابات التقطير .

نُشر نموذج UNIFAC لأول مرة عام 1975 على يد فريدنسلوند وجونز وجون براوسنيتز ، وهم مجموعة من باحثي الهندسة الكيميائية من جامعة كاليفورنيا . لاحقًا، نشروا، إلى جانب باحثين آخرين، العديد من الأبحاث حول UNIFAC، موسعين بذلك قدرات النموذج من خلال تطوير معايير جديدة أو مراجعة المعايير الموجودة. يُعد UNIFAC محاولة من هؤلاء الباحثين لتوفير نموذج مرن لتوازن السوائل، يُتيح استخدامه على نطاق أوسع في الكيمياء ، والهندسة الكيميائية ، وهندسة العمليات .

مقدمة

تُعدّ مسألة الحصول على ثوابت ديناميكية حرارية موثوقة من أبرز المشكلات في مجال الديناميكا الحرارية للحالة السائلة . فهذه الثوابت ضرورية للتنبؤ الناجح بحالة الطاقة الحرة للنظام؛ وبدون هذه المعلومات، يستحيل نمذجة أطوار التوازن في النظام.

إن الحصول على بيانات الطاقة الحرة ليس بالأمر الهين، ويتطلب تجارب دقيقة، مثل قياس السعرات الحرارية ، لقياس طاقة النظام بدقة. وحتى عند إجراء هذه التجارب، يبقى من غير العملي محاولة تطبيقها على جميع فئات المواد الكيميائية الممكنة، ومخاليطها الثنائية أو الأكثر تعقيدًا. وللتخفيف من هذه المشكلة، تُستخدم نماذج التنبؤ بالطاقة الحرة، مثل نموذج UNIFAC، للتنبؤ بطاقة النظام بناءً على عدد قليل من الثوابت المقاسة مسبقًا.

من الممكن حساب بعض هذه المعاملات باستخدام طرق حسابية أولية مثل COSMO-RS ، ولكن ينبغي التعامل مع النتائج بحذر، لأن التنبؤات الأولية قد تكون غير دقيقة. وبالمثل، قد تكون تنبؤات UNIFAC غير دقيقة، ويُنصح في كلتا الطريقتين بالتحقق من صحة الطاقات المُستنتجة من هذه الحسابات تجريبياً.

ارتباط UNIFAC

تسعى علاقة UNIFAC إلى تبسيط مشكلة التنبؤ بالتفاعلات بين الجزيئات من خلال وصف هذه التفاعلات بناءً على المجموعات الوظيفية المرتبطة بالجزيء. ويتم ذلك لتقليل العدد الهائل من التفاعلات الثنائية التي يلزم قياسها للتنبؤ بحالة النظام.

النشاط الكيميائي

معامل نشاط مكونات النظام هو عامل تصحيح يُراعي انحرافات الأنظمة الحقيقية عن المحلول المثالي ، والذي يمكن قياسه تجريبيًا أو تقديره من النماذج الكيميائية (مثل UNIFAC). بإضافة عامل تصحيح، يُعرف باسم معامل النشاط (أأنا{\displaystyle a_{i}}عند حساب نشاط المكون (i ) بالنسبة لجزء الطور السائل من خليط سائل، يمكن تفسير بعض تأثيرات المحلول الحقيقي. ويعتمد نشاط المادة الكيميائية الحقيقية على الحالة الديناميكية الحرارية للنظام، أي درجة الحرارة والضغط.

باستخدام معاملات النشاط ومعرفة المكونات ونسبها، يمكن حساب ظواهر مثل انفصال الطور وتوازن البخار والسائل . يسعى برنامج UNIFAC إلى أن يكون نموذجًا عامًا للتنبؤ الناجح بمعاملات النشاط.

معلمات النموذج

يقسم نموذج UNIFAC معامل النشاط لكل نوع في النظام إلى مكونين؛γج{\displaystyle \gamma ^{c}}ومكون متبقٍγر{\displaystyle \gamma ^{r}}. لـأنا{\displaystyle i}بالنسبة للجزيء رقم -، يتم تحليل معاملات النشاط وفقًا للمعادلة التالية:

lnγأنا=lnγأناج+lnγأنار.{\displaystyle \ln \gamma _{i}=\ln \gamma _{i}^{c}+\ln \gamma _{i}^{r}.}

في نموذج UNIFAC، هناك ثلاثة معايير رئيسية مطلوبة لتحديد نشاط كل جزيء في النظام. أولاً، هناك مساحة سطح المجموعةسؤال{\displaystyle Q}ومساهمات الحجمR{\displaystyle R}يتم الحصول على هذه المعاملات من مساحة سطح فان دير فالس والأحجام. وتعتمد هذه المعاملات كليًا على المجموعات الوظيفية الفردية الموجودة على جزيئات المضيف. وأخيرًا، هناك معامل التفاعل الثنائي.τأناج{\displaystyle \tau _{ij}}وهو ما يرتبط بطاقة التفاعليوأنا{\displaystyle U_{i}}من أزواج الجزيئات (المعادلة في قسم "الباقي"). يجب الحصول على هذه المعلمات إما من خلال التجارب، أو عن طريق مطابقة البيانات أو المحاكاة الجزيئية.

التوافقية

يُساهم في المكون التوافقي للنشاط عدة حدود في معادلته (أدناه)، وهو نفس الشيء بالنسبة لنموذج UNIQUAC .

lnγأناج=lnϕأناxأنا+z2qأناlnθأناϕأنا+لأنا-ϕأناxأناج=1نxجلج،\displaystyle \ln \gamma _{i}^{c}=\ln {\frac {\phi _{i}}{x_{i}}}+{\frac {z}{2}}q_{i}\ln {\frac {\theta _{i}}{\phi _{i}}}+L_{i}-{\frac {\phi _{i}}{x_{i}}}\displaystyle \sum _{j=1}^{n}x_{j}L_{j},}

أينθأنا{\displaystyle \theta _{i}}وϕأنا{\displaystyle \phi _{i}}تمثل المكونات الكسرية للمساحة والقطاع الموزون بالمول لـأنا{\displaystyle i}الجزيء رقم - في النظام الكلي ويتم تعريفه بالمعادلة التالية؛لأنا{\displaystyle L_{i}}هو مُعامل مُركب منر{\displaystyle r}،z{\displaystyle z}وq{\displaystyle q}.z{\displaystyle z}يمثل رقم التنسيق للنظام، ولكن تبين أن النموذج غير حساس نسبياً لقيمته ويتم ذكره بشكل متكرر كثابت له قيمة 10.

θأنا=xأناqأناج=1نxجqج،ϕأنا=xأنارأناج=1نxجرج،لأنا=z2(رأنا-qأنا)-(رأنا-1)،z=10،\begin{t} \theta_i = \frac{x_iq_i}{\sum_j=1^n x_jq_j}, \quad \phi_i = \frac{x_ir_i}{\sum_j=1^n x_jr_j}, \quad L_i = \frac{z}{2}(r_i-q_i)-(r_i-1), \quad z = 10

qأنا{\displaystyle q_{i}}ورأنا{\displaystyle r_{i}}يتم حسابها من مساهمات مساحة سطح المجموعة وحجمهاسؤال{\displaystyle Q}وR{\displaystyle R}(يتم الحصول عليها عادةً من خلال القيم المجدولة) بالإضافة إلى عدد مرات ظهور المجموعة الوظيفية على كل جزيءνك{\displaystyle \nu _{k}}بحيث:

رأنا=ك=1نνكRك،qأنا=ك=1نνكسؤالك.{\displaystyle r_{i}=\displaystyle \sum _{k=1}^{n}\nu _{k}R_{k},\quad q_{i}=\displaystyle \sum _{k=1}^{n}\nu _{k}Q_{k}.}

المتبقي

المكون المتبقي من النشاطγر{\displaystyle \gamma ^{r}}يعود ذلك إلى التفاعلات بين المجموعات الموجودة في النظام، حيث أشارت الورقة الأصلية إلى مفهوم "حل المجموعات". المكون المتبقي من النشاط لـأنا{\displaystyle i}الجزيء رقم - الذي يحتوي علىن{\displaystyle n}يمكن كتابة المجموعات الوظيفية الفريدة على النحو التالي:

lnγأنار=كنνك(أنا)[lnΓك-lnΓك(أنا)]،{\displaystyle \ln \gamma _{i}^{r}=\displaystyle \sum _{k}^{n}\nu _{k}^{(i)}\left[\ln \Gamma _{k}-\ln \Gamma _{k}^{(i)}\right],}

أينΓك(أنا){\displaystyle \Gamma _{k}^{(i)}}هو نشاط مجموعة معزولة في محلول يتكون فقط من جزيئات من النوعأنا{\displaystyle i}تضمن صياغة النشاط المتبقي أن يكون النشاط مساوياً لـ 1 في الحالة الحدية لجزيء واحد في محلول مكون نقي؛ وذلك وفقاً لتعريفΓك(أنا){\displaystyle \Gamma _{k}^{(i)}}يجد المرء أنlnΓك-lnΓك(أنا){\displaystyle \ln \Gamma _{k}-\ln \Gamma _{k}^{(i)}}ستكون قيمتها صفرًا. تُستخدم الصيغة التالية لكلا الحالتين.Γك{\displaystyle \Gamma _{k}}وΓك(أنا){\displaystyle \Gamma _{k}^{(i)}}

lnΓك=سؤالك[1-lnمΘمΨمك-مΘمΨكمنΘنΨنم].{\displaystyle \ln \Gamma _{k}=Q_{k}\left[1-\ln \displaystyle \sum _{m}\Theta _{m}\Psi _{mk}-\displaystyle \sum _{m}{\frac {\Theta _{m}\Psi _{km}}{\displaystyle \sum _{n}\Theta _{n}\Psi _{nm}}}\right].}

في هذه الصيغةΘم{\displaystyle \Theta _{m}}هو مجموع نسبة مساحة المجموعةم{\displaystyle m}، على جميع المجموعات المختلفة، وهي متشابهة إلى حد ما في الشكل، ولكنها ليست نفسها.θأنا{\displaystyle \theta _{i}}.Ψمن{\displaystyle \Psi _{mn}}يمثل معامل تفاعل المجموعة، وهو مقياس لطاقة التفاعل بين المجموعات. ويتم حسابه باستخدام معادلة أرهينيوس (مع ثابت زائف قيمته 1).Xن{\displaystyle X_{n}}يمثل الكسر المولي للمجموعة ، وهو عدد المجموعاتن{\displaystyle n}في المحلول مقسومًا على العدد الإجمالي للمجموعات.

Θم=سؤالمXمنسؤالنXن،{\displaystyle \Theta _{m}={\frac {Q_{m}X_{m}}{\displaystyle \sum _{n}Q_{n}X_{n}}},}
Ψمن=خبرة[-يومن-يونمRتي]،Xم=جνمجxججنνنجxج،\displaystyle \Psi _{mn}=\exp \left[-{\frac {U_{mn}-U_{nm}}{RT}}\right],\quad X_{m}={\frac {\displaystyle \sum _{j}\nu _{m}^{j}x_{j}}{\displaystyle \sum _{j}\displaystyle \sum _{n}\nu _{n}^{j}x_{j}}},}

يومن{\displaystyle U_{mn}}هي طاقة التفاعل بين المجموعتين m و n ، بوحدات النظام الدولي للوحدات (SI) وهي جول لكل مول، و R هو ثابت الغازات العام . لاحظ أنه ليس صحيحًا أن يومن=يونم{\displaystyle U_{mn}=U_{nm}}مما يؤدي إلى ظهور مُعامل غير انعكاسي. ويمكن تبسيط معادلة مُعامل تفاعل المجموعة إلى ما يلي:

Ψمن=خبرة-أمنتي.{\displaystyle \Psi _{mn}=\exp {\frac {-a_{mn}}{T}}.}

هكذاأمن{\displaystyle a_{mn}}لا يزال يمثل صافي طاقة التفاعل بين المجموعاتم{\displaystyle m}ون{\displaystyle n}لكنها تستخدم وحدات غير مألوفة نوعًا ما لقياس درجة الحرارة المطلقة ( كلفن النظام الدولي للوحدات ). تُستمد قيم طاقة التفاعل هذه من البيانات التجريبية، وعادةً ما تُدرج في جداول.

انظر أيضاً

مراجع

  1. آجي فريدنسلوند، راسل ل. جونز وجون م. براوسنيتز، "تقدير مساهمة المجموعة لمعاملات النشاط في الخلائط السائلة غير المثالية"، مجلة AIChE ، المجلد 21 (1975)، ص 1086

للمزيد من القراءة