Параметры модели UNIQUAC для описания фазового равновесия пар – жидкость изотопных смесей водорода H₂–D₂, H₂–HD, HD–D₂

Abstract

Выполнен анализ расчетных и литературных экспериментальных данных по коэффициентам активности изотопов водорода в смесях H2–D2, H2–HD. Расчетные данные получены на основе известной теории многокомпонентных жидких растворов водорода (Шервуда), учитывающей неидеальность парожидкостного равновесия. Максимальное относительное отклонение составило 5.4 %. Проверена адекватность описания упругости паров чистых компонентов H2, D2, HD эмпирическими уравнениями, и выбраны уравнения для расчета фазового равновесия в системе пар — жидкость. На основе математической обработки литературных экспериментальных данных по фазовому равновесию изотопных смесей водорода H2–D2, H2–HD, HD–D2 найдены параметры бинарного энергетического взаимодействия модели UNIQUAC для расчета коэффициентов активности компонентов H2, D2, HD. Вычислены коэффициенты разделения смесей H2–D2, H2–HD, HD–D2 при различных температурах кипения в зависимости от давления и состава. На основе полученных результатов построены диаграммы фазового равновесия y-x и t-x,y при атмосферном давлении. Расчетные исследования коэффициента разделения данных изотопных смесей показали отличие качественного поведения зависимости кривой коэффициента разделения от состава легколетучего компонента, полученного по модели UNIQUAC, по теории Шервуда и при рассмотрении смеси в качестве идеальной. Кривая коэффициента разделения, вычисленная по модели UNIQUAC, является слегка выпуклой к оси абсцисс, по теории Шервуда — убывающей, а при рассмотрении идеальной смеси, подчиняющейся закону Рауля, — возрастающей и практически прямой линией со значительным углом наклона к оси абсцисс. Приведены графические расчетные зависимости температуры кипения смеси H2–D2 от концентрации H2 в жидкой фазе при различных давлениях. Исследован профиль распределения компонентов H2, D2, HD по высоте 21-й тарельчатой ректификационной колонны для модельной трехкомпонентной смеси H2–HD–D2 состава, в % мол.: xH2 = 0.014; xHD = 60; xD2 = 39.986 для процесса замкнутой ректификации с учетом и без учета коэффициентов активности компонентов. Выявлено расхождение в профилях для H2 и HD. Наличие параметров бинарного энергетического взаимодействия UNIQUAC между молекулами изотопов водорода позволит проводить численный анализ разделения изотопных смесей водорода низкотемпературной ректификацией в среде моделирования Hysys при различных режимах работы ректификационной колонны или каскада колонн с целью поиска оптимальных структурных схем разделения.