ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И ФАЗОВЫХ РАВНОВЕСИЙ СМЕШАННЫХ ГИДРАТОВ ГЕЛИЙ-КСЕНОН В РАЗЛИЧНЫХ УСЛОВИЯХ
Аннотация
В данном исследовании проведен теоретический анализ физико-химических характеристик смешанных гидратов на основе гелия и ксенона. С использованием методов решеточной динамики и молекулярной динамики были изучены термодинамические свойства и состав газовых гидратов, полученных из смеси гелия и ксенона при различных давлениях и составах газовой фазы. Определены условия фазовых равновесий и условия образования стабильных фаз гидрата. Расчеты проводились для набора концентраций гелия в газовой фазе не превышающих 20 мол.%. Так согласно расчетам было показано, что при температуре 272 K и концентрации гелия в газовой фазе 10%, образование гидрата гелий + ксенон структуры КС-I происходит при давлении примерно 0,394 МПа, до этого давления более термодинамически стабильной фазой является фаза льда Ih. При этом структура КС-II гидрата гелий + ксенон так и остается термодинамически нестабильной фазой, т.е. не реализуется ни при каких давлениях при температуре 272 К. Также было замечено, что с увеличением доли гелия в газовой фазе возрастает давление, необходимое для стабилизации гидратной фазы, что позволяет говорить о значительном влиянии состава газовой смеси на фазовое поведение смешанных гидратов. Результаты, представленные в данной работе, способны помочь более глубокому пониманию процессов формирования смешанных газовых гидратов и пониманию механизмов, ответственных за их стабильность, что является важным для планирования практического применения смешанных гидратов благородных газов в медицине и разделении газов.
Для цитирования:
Божко Ю.Ю., Жданов Р.К., Гец К.В., Субботин О.С., Белослудов В.Р. Исследование термодинамических свойств и фазовых равновесий смешанных гидратов гелий-ксенон в различных условиях. Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва). 2024. Т. LXVIII. № 4. С. 74-80. DOI: 10.6060/rcj.2024684.9.
Литература
Sloan Jr E. D., Koh C. A. Clathrate hydrates of natural gases. Boca Raton: CRC press. 2007. 752 p. DOI: 10.1201/978142 0008494.
Fu X., Waite W.F., Cueto‐Felgueroso L., Juanes R. Xenon hydrate as an analog of methane hydrate in geologic systems out of thermodynamic equilibrium. Geochem. Geophys. Geosyst. 2019. V. 20. N 5. P. 2462-2472. DOI: 10.1029/2019GC008250.
Rasoolzadeh A., Aaldijk L, Raeissi S., Shariati A., Peters C.J. Experimental investigation and thermodynamic modeling of xenon clathrate hydrate stability conditions. Fluid Phase Equilibria. 2020. V. 512. P. 112528. DOI: 10.1016/j.fluid.2020.112528.
Sergeeva M. S., Mokhnachev N.A., Shablykin D.N., Vorotyntsev A.V., Zarubin D.M., Atlaskin A.A., Trubyanov M.M., Vorotyntsev I.V., Vorotyntsev V.M., Petukhov A.N. Xenon recovery from natural gas by hybrid method based on gas hydrate crystallisation and membrane gas separation. J. Nat. Gas Sci. Eng. 2021. V. 86. P. 103740. DOI: 10.1016/ j.jngse.2020.103740.
Matizakurima F., Babaee S., Hashemi H., Naidoo P. Separation of xenon from noble gas mixtures of argon, krypton, and xenon using gas hydrate technology. Ind. Eng. Chem. Res. 2023. V. 62. N 36. P. 14484-14496. DOI: 10.1021/acs.iecr. 3c01174.
Sergeeva M. S., Petukhov A., Shablykin D., Trubyanov M., Atlaskin A., Malyshev V., Vorotyntsev V. Xenon recovery from natural gas by multiple gas hydrate crystallization: a theory and simulation. Sep. Sci. Technol. 2020. V. 55. N 1. P. 144-154. DOI: 10.1080/01496395.2019.1577454.
Kudryavtseva M. S., Petukhov A.N., Shablykin D.N., Atlaskin A.A., Stepanova E.A., Vorotyntsev I.V., Vorotyntsev V.M. Modeling of xenon gas hydrate distri-bution coefficient at methane-containing mixtures sepa-ration. Petrol. Sci. Technol. 2024. V. 42. N 3. P. 321-338. DOI: 10.1080/ 10916466.2022.2120005.
Babaee S., Hashemi H., Naidoo P., Ramjugernath D. Application of Gas Hydrates in the Separation and Purification of Xenon from a Mixture of Xenon and Argon. J. Chem. Eng. Data. 2021. Т. 66. N 10. P. 3815-3825. DOI: 10.1021/ acs.jced.1c00435.
Куленцан А.Л., Марчук Н.А., Ширяев М.Ю., Пузанов А.М. Анализ добычи природного газа и числа газовых скважин в Российской Федерации. Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва). 2023. Т. LXVII. № 1. С. 7074. DOI: 10.6060/rcj.2022671.10.
Борисов И. М. Термодинамические основы процесса получения пресной воды методом кристаллизации. Росс. хим. ж. 2022. Т. 66. N 1. P. 66-70. DOI: 10.6060/rcj.2022661.9.
Manakov A. Y., Stoporev A. S. Physical chemistry and technological applications of gas hydrates: topical as-pects. Russ. Chem. Rev. 2021. V. 90. N 5. P. 566. DOI: 10.1070/RCR4986.
Ildyakov A. V., Manakov, A. Y., Zavjalov, A. P., & Bardakhanov, S. P. Gas Hydrate Formation by Me-thane‐Helium Mixtures. Chem. Eng. Technol. 2011. V. 34. N 10. P. 1733-1738. DOI: 10.1002/ceat.201000513.
Kuhs W. F., Hansen T. C., Falenty A. Filling ices with helium and the formation of helium clathrate hydrate. J. Phys. Chem. Lett. 2018. V. 9. N 12. P. 3194-3198. DOI: 10.1021/acs. jpclett.8b01423.
van der Waals J.H., Platteeuw J.C. Clathrate Solutions Adv. Chem. Phys. 1959. V. 2. P. 1-57. DOI: 10.1002/9780470143 483.ch1.
Kihara T. The second virial coefficient of non-spherical molecules Journal of the Physical Society of Japan. 1951. Т. 6. №. 5. С. 289-296. DOI: 10.1143/JPSJ.6.289.
Тептерева Г.А., Пахомов С.И., Четвертнева И.А., Каримов Э.Х., Егоров М.П., Мовсумзаде Э.М., Евстигнеев Э.И., Васильев А.В., Севастьянова М.В., Волошин А.И., Нифантьев Н.Э., Носов В.В., Докичев В.А., Бабаев Э.Р., Рого-вина С.З., Берлин А.А., Фахреева А.В., Баулин О.А., Колчина Г.Ю., Воронов М.С., Староверов Д.В., Козловский И.А., Козловский Р.А., Тарасова Н.П., Занин А.А., Кривобородов Е.Г., Каримов О.Х., Флид В.Р., Логинова М.Е. Возобновляемые природные сырьевые ресурсы, строение, свойства, перспективы применения. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2021. Т. 64. Вып. 9. С. 4-121. DOI: 10.6060/ivkkt.20216409.6465.
Колчина Г.Ю., Полетаева О.Ю., Леонтьев А.Ю., Мовсумзаде Э.М., Логинова М.Е., Колчин А.В. Анализ состава и структуры тяжелых нефтей по данным ЯМР-спектроскопии. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2023. Т. 66. Вып. 6. С. 94-101. DOI: 10.6060/ivkkt.20236606.6783.
Медведева И.В., Медведева О.М., Студенок А.Г., Студенок Г.А., Цейтлин Е.М. Новые композитные материалы и процессы для химических, физико-химических и биохимических технологий водоочистки. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2023. Т. 66. Вып. 1. С. 6-27. DOI: 10.6060/ivkkt.20236601.6538.
Bozhko Y. Y., Zhdanov R. K., Gets K. V., Subbotin O. S., Belosludov V. R. Role of SiO2 in the Formation of Hydrate Phases in the Presence of СН4/CO2. Russ. J. Inorg. Chem. 2023. V. 68. N 2. P. 233–237. DOI: 10.1134/S0036023622602392.
Sloan E.D. Fundamental principles and applications of natural gas hydrates Nature. 2003. V. 426. P. 353363. DOI: https://www.nature.com/articles/nature02135
Misyura S., Strizhak P., Meleshkin A., Morozov V., Gaidukova O., Shlegel N., Shkola M. A Review of Gas Capture and Liquid Separation Technologies by CO2 Gas Hydrate. Energies. 2023. V. 16. N 8. P. 3318. DOI: 10.3390/en16083318.
Meleshkin A.V., Marasanov N.V. Effect of Mixing in Test Section on Hydrate Synthesis via Explosive Boiling of Liquefied Hydrate-Forming Gas in Water with Addition of SDS during Decompression. J. Eng. Thermophys. 2022. V. 31. N 4. P. 696–703. DOI: 10.1134/S1810232822040142.
Gaidukova O. S., Dorokhov V. V., Misyura S. Y., Morozov V. S., Shlegel N. E., Strizhak P. A. Dissociation of methane and carbon dioxide hydrates: Synergistic effects. Fuel. 2024. V. 359. P. 130399. DOI: 10.1016/j.fuel.2023.130399.
Meleshkin A. V., Bartashevich M. V., Glezer V. V. Investigation of the effect of operating parameters on the synthesis of gas hydrate by the method based on self-organizing process of boiling-condensation of a hydrate-forming gas in the volume of water. Appl. Surf. Sci. 2019. V. 493. P. 847-851. DOI: 10.1016/j.apsusc.2019.06.276.
Antonov D. V., Donskoy I. G., Gaidukova O. S., Misyura S. Y., Morozov V. S., Nyashina G. S., Strizhak P. A. Dissociation characteristics and anthropogenic emissions from the combustion of double gas hydrates. Environ. Res. 2022. V. 214. P. 113990. DOI: 10.1016/j.envres.2022.113990.
Antonov D. V., Donskoy I. G., Gaidukova O. S., Misyura S. Y., Morozov V. S., Nyashina G. S., Strizhak P. A. Dissociation and combustion of mixed methane-ethane hydrate. Fuel. 2022. V. 325. P. 124771. DOI: 10.1016/j.fuel.2022.124771.
Gaidukova O., Misyura S., Razumov D., Strizhak P. Modeling of a Double Gas Hydrate Particle Ignition. Appl. Sci. 2022. V. 12. N 12. P. 5953. DOI: 10.3390/app12125953.
Misyura S. Y., Donskoy I. G., Manakov A. Y., Morozov V. S., Strizhak P. A., Skiba S. S., Sagidullin A. K. Combustion of a Powder Layer of Methane Hydrate: The Influence of Layer Height and Air Velocity Above the Layer. Flow Turbul. Combust. 2022. V. 109. N 1. P. 175-191. DOI: 10.1007/ s10494-022-00325-x.
Semenov A. P., Mendgaziev R. I., Stoporev A. S., Istomin V. A., Sergeeva D. V., Tulegenov T. B., Vinokurov V. A. Dimethyl sulfoxide as a novel thermodynamic inhibitor of carbon dioxide hydrate formation. Chem. Eng. Sci. 2022. V. 255. P. 117670. DOI: 10.1016/j.ces.2022.117670.
Belosludov V. R., Lavrentiev M. Y., & Dyadin Y. A. Theory of Clathrates. Journal of inclusion phenomena and molecular recognition in chemistry. 1991. V. 10. N 4. P. 399-422. DOI: https://link.springer.com/article/10.1007/BF01061072.
Belosludov V.R., Subbotin O.S., Krupskii D.S., Belosludov R.V., Kawazoe Y., Kudoh J.I. Physical and Chemical Properties of Gas Hydrates: Theoretical Aspects of Energy Storage Application. Mater. Transactions. 2007. V. 48. P. 704-710. DOI: https://doi.org/10.2320/matertrans.48.704.
de Boer J. Molecular Distribution and Equation of State of Gases. Rep. Prog. Phys. 1949. V. 12. N 1. P. 305-374. DOI: 10.1088/0034-4885/12/1/314.
Tanaka H. The stability of Xe and CF4 clathrate hydrates. Vibrational frequency modulation and cage distortion. Chem. Phys. Lett. 1993. V. 202. N 5. P. 345-349. DOI: 10.1016/0009-2614(93)90051-2.
Bernal J. D., Fowler R. H. A Theory of Water and Ionic Solution, with Particular Reference to Hydrogen and Hy-droxyl Ions. J. Chem. Phys. 1933. V. 1. P. 515. DOI: https://doi.org/ 10.1063/1.1749327.
