Prediction of the transport properties of gaseous alkane mixtures using the kinetic theory of molecular gases

• Applicant: Dr. Robert Hellmann
• Subject Area: Chemical and Thermal Process Engineering ; Technical Thermodynamics ; Theoretical Chemistry: Electronic Structure, Dynamics, Simulation
• Term: from 2016 to 2019
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 289745381

• Final Report Year: 2019

Final Report Abstract

In diesem Projekt wurden für verschiedene reine Alkane und Alkanmischungen die Transporteigenschaften in der verdünnten Gasphase sowie die zweiten Virial- bzw. Kreuzvirialkoeffizienten untersucht. Dazu wurden hochgenaue zwischenmolekulare Potentialfunktionen auf Basis umfangreicher quantenchemischer ab initio-Berechnungen entwickelt. Mit den neuen Potentialmodellen wurden die Transporteigenschaften Viskosität, Wärmeleitfähigkeit und Selbstdiffusion bzw. binare Diffusion in der verdünnten Gasphase mittels der in der Arbeitsgruppe des Antragstellers an der Universität Rostock und in der Gruppe von Prof. V. Vesovic am Imperial College London stetig weiterentwickelten kinetischen Theorie molekularer Gase untersucht. Für Ethan sind die berechneten Viskositäten bereits in eine neue Referenzkorrelation für praktische Anwendungen eingeflossen, an deren Entwicklung der Antragsteller beteiligt war. Für Propan wird eine entsprechende Korrelation zur Zeit entwickelt. Die berechneten Kreuzvirialkoeffizienten und Transporteigenschaften für die insgesamt sechs untersuchten Gasgemische (Methan-Ethan, Stickstoff-Ethan, Kohlendioxid-Ethan, Schwefelwasserstoff-Ethan, Methan-Propan, Kohlendioxid-Propan) bilden eine wichtige Grundlage für künftige Verbesserungen von praktischen Korrelationen für die thermophysikalischen Eigenschaften von Erdgasen. Für Methan, Propan und Kohlendioxid sowie deren Gemische wurden zudem stark vereinfachte Potentialmodelle (“Kraftfelder”) entwickelt. Mit diesen Potentialen wurden molekulardynamische Simulationen in der Gruppe von Prof. A. P. Froba (Friedrich-Alexander-Universitat Erlangen-Nürnberg) zur Dichteabhängigkeit der Viskosität und der Diffusionskoeffizienten durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass die neuen Potentiale den zum Vergleich untersuchten Kraftfeldern aus dem Schrifttum für die Berechnung von Transporteigenschaften in der Gasphase überlegen sind. Des Weiteren wurden für die Beschreibung der Viskosität längerer n-Alkane mittels der kinetischen Theorie molekularer Gase in Zusammenarbeit mit der Gruppe von Prof. Vesovic Modelle auf Basis starrer linearer Ketten entwickelt. Die Modelle konnten die zum Teil sehr genauen experimentellen Daten aber nicht befriedigend wiedergeben. Es soll jedoch noch untersucht werden, ob die Modelle zur Vorhersage der Wärmeleitfähigkeit geeignet sind, für die die experimentelle Datenlage deutlich schlechter ist als für die Viskosität.

Publications

• Intermolecular potential energy surface and thermophysical properties of propane. J. Chem. Phys. 146, 114304 (2017)
  R. Hellmann
  (See online at https://doi.org/10.1063/1.4978412)
• Cross Second Virial Coefficients and Dilute Gas Transport Properties of the (CH4 + C3 H8 ) and (CO2 + C3 H8 ) Systems from Accurate Intermolecular Potential Energy Surfaces. J. Chem. Eng. Data 63, 246–257 (2018)
  R. Hellmann
  (See online at https://doi.org/10.1021/acs.jced.7b00886)
• Reference Values for the Second Virial Coefficient and Three Dilute Gas Transport Properties of Ethane from a State-of-the-Art Intermolecular Potential Energy Surface. J. Chem. Eng. Data 63, 470–481 (2018)
  R. Hellmann
  (See online at https://doi.org/10.1021/acs.jced.7b01069)
• Cross second virial coefficients and dilute gas transport properties of the systems (CH4 + C2 H6 ) and (N2 + C2 H6 ) from accurate intermolecular potential energy surfaces. J. Chem. Thermodyn. 134, 175–186 (2019)
  R. Hellmann
  (See online at https://doi.org/10.1016/j.jct.2019.03.002)
• Self-diffusion coefficient and viscosity of methane and carbon dioxide via molecular dynamics simulations based on new ab initio-derived force fields Fluid Phase Equilib. 481, 15–27 (2019)
  U. A. Higgoda, R. Hellmann, T. M. Koller, A. P. Fröba
  (See online at https://doi.org/10.1016/j.fluid.2018.10.011)
• Cross Second Virial Coefficients and Dilute Gas Transport Properties of the Systems (CO2 + C2H6 ) and (H2S + C2H6) from Accurate Intermolecular Potential Energy Surfaces. J. Chem. Eng. Data 2020, 65, 3, 968-979
  R. Hellmann
  (See online at https://doi.org/10.1021/acs.jced.9b00212)