Хімія, фізика та технологія поверхні, 2015, 6 (1), 5-19.

Моделювання випаровування кластерів і нанокраплин органічних молекул методами квантової хімії та кінетичної теорії газів



DOI: https://doi.org/10.15407/hftp06.01.005

V. M. Gun'ko

Анотація


Швидкість випаровування (g) молекул n-алканів в інтервалі C8–C27 з молекулярних кластерів і нанокраплин проаналізовано з використанням квантовохімічної сольватаційної моделі (SMD) і кінетичної теорії газів у припущенні, що система перебуває в термодинамічній рівновазі (тобто швидкості випаровування та конденсації однакові). Розміри краплинок, густини рідин, ентальпію випаровування та вільну енергію Гіббса розраховували при 300–640 K. Квантовохімічні розрахунки (методами SMD/HF або SMD/B3LYP з базисом 6-31G(d,p)) використовували для оцінки змін вільної енергії Гіббса при перенесенні молекули з рідкого середовища (кластери та нанокраплинки) у газову фазу. Кінетичну теорію газів було використано для оцінки швидкості зіткнення молекул з кластерами/нанокраплинками у газовій фазі. Ця швидкість залежить від парціального тиску, температури, розмірів і маси молекул та кластерів/нанокраплинок. Зростання молекулярних розмірів алканів, що випаровуються, з октану до гептакозану призводить до значного зменшення величини g.

Ключові слова


випаровування краплин алканів; вільна енергія Гіббса; швидкість випаровування; коефіцієнт випаровування; квантовохімічне моделювання

Повний текст:

PDF (English)

Посилання


1. Tamim J., Hallett W.L.H. A continuous thermodynamics model for multi-component droplet vaporization. Chem. Eng. Sci. 1995. 50(18): 2933.  https://doi.org/10.1016/0009-2509(95)00131-N

2. Lippert A.M., Reitz R.D. Modeling of multicomponent fuels using continuous distributions with application to droplet evaporation and sprays. SAE Technical Paper. 1997. 972882.

3. Hallett W.L.H. A simple model for the vaporization of droplets with large numbers of components. Combust. Flame. 2000. 121(1–2): 334.  https://doi.org/10.1016/S0010-2180(99)00144-3

4. Langmuir I. The dissociation of hydrogen into atoms. Part II. Calculation of the degree of dissociation and the heat of formation. J. Amer. Chem. Soc. 1915. 37(3): 417.https://doi.org/10.1021/ja02168a002

5. Langmuir I. The evaporation of small spheres. Phys. Rev. 1918. 12: 368.  https://doi.org/10.1103/PhysRev.12.368

6. Houghton H.G. Evaporation of small drops. Physics. 1933. 4: 419.https://doi.org/10.1063/1.1745155

7. Bradley R.S., Evans M.G., Whytlaw-Gray R.W. The rate of evaporation of droplets. evaporation and diffusion coefficients, and vapour pressures of dibutyl phthalate and butyl stearate. Proceedings of the Royal Society of London A. 1946. 186(1006): 368. https://doi.org/10.1098/rspa.1946.0050

8. Kinzer G.D., Gunn R. The evaporation, temperature and thermal relaxation-time of freely falling waterdrops. J. Atmos. Sci. 1951. 8(2): 71.https://doi.org/10.1175/1520-0469(1951)008<0071:tetatr>2.0.co;2

9. Deegan R.D. Pattern formation in drying drops. Phys. Rev. E. 2000. 61: 475.https://doi.org/10.1103/PhysRevE.61.475

10. de Gans B.J., Duineveld P.C., Schubert U.S. Inkjet printing of polymers: state of the art and future developments. Adv. Mater. 2004. 16(3): 203.https://doi.org/10.1002/adma.200300385

11. Dugas V., Broutin J., Souteyrand E. Droplet evaporation study applied to DNA chip manufacturing. Langmuir. 2005. 21(20): 9130.https://doi.org/10.1021/la050764y

12. Wright P.K. 21st Century Manufacturing. (New Jersey: Prentice-Hall Inc., 2001).

13. Zhu G.-S., Reitz R.D. A model for high-pressure vaporization of droplets of complex liquid mixtures using continuous thermodynamics. Int. J. Heat Mass Transfer. 2002. 45(3): 495.https://doi.org/10.1016/S0017-9310(01)00173-9

14. Cao B.-Y., Xie J.-F., Sazhin S.S. Molecular dynamics simulation on evaporation and condensation of n-dodecane at liquid-vapour phase equilibria. J. Chem. Phys. 2011. 134(16): 164309.https://doi.org/10.1063/1.3579457

15. Xie J.-F., Sazhin S.S., Cao B.-Y. Molecular dynamics study of the processes in the vicinity of the n-dodecane vapour/liquid interface. Phys. Fluids. 2011. 23: 112104.https://doi.org/10.1063/1.3662004

16. Sazhin S.S. Advanced models of fuel droplet heating and evaporation. Prog. Energy Combust. Sci. 2006. 32(2): 162.https://doi.org/10.1016/j.pecs.2005.11.001

17. Chapman S., Cowling T.G. The Mathematical Theory of Nonuniform Gases. (Cambridge: Cambridge University Press, 1970).

18. Mizuguchi H., Nagayama G., Tsuruta T. Molecular dynamics study on evaporation coefficient of biodiesel fuel. (Sendai, Japan: Seventh International Conference on Flow Dynamics, 2010).

19. Xie J.-F., Sazhin S.S., Shishkova I.N., Cao B.-Y. Proceedings of International Symposium on Advances in Computational Heat Transfer. CD, Begell House Inc., paper CHT12-MP02. (1-6 July, 2012 Bath, UK).

20. Xie J.-F., Sazhin S.S., Cao B.-Y. Molecular dynamics study of condensation/evaporation and velocity distribution of n-dodecane at liquid-vapour phase equilibria. J. Therm. Sci. Technol. 2012. 7(1): 288.https://doi.org/10.1299/jtst.7.288

21. Ortega I. K., Kupiainen O., Kurtén T., Olenius T., Wilkman O., McGrath M.J., Loukonen V., Vehkamaki H. From quantum chemical formation free energies to evaporation rates. Atmos. Chem. Phys. 2012. 12: 225.https://doi.org/10.5194/acp-12-225-2012

22. Kupiainen O., Ortega I.K., Kurten T., Vehkamaki H. Amine substitution into sulfuric acid–ammonia clusters. Atmos. Chem. Phys. 2012. 12(8): 3591.https://doi.org/10.5194/acp-12-3591-2012

23. Gun'ko V.M., Nasiri R., Sazhin S.S., Lemoine F., Grisch F. A quantum chemical study of the processes during the evaporation of real-life Diesel fuel droplets. Fluid Phase Equilib. 2013. 356: 146.https://doi.org/10.1016/j.fluid.2013.07.022

24. Gun'ko V. M., Nasiri R., Sazhin S.S. A study of the evaporation and condensation of n-alkane clusters and nanodroplets using quantum chemical methods. Fluid Phase Equilib. 2014. 366: 99.https://doi.org/10.1016/j.fluid.2014.01.010

24. Sazhin S.S., Al Qubeissi M., Nasiri R., Gun'ko V.M., Elwardany A.E., Lemoine F., Grisch F., Heikal M.R. A multi-dimensional quasi-discrete model for the analysis of Diesel fuel droplet heating and evaporation. Fuel. 2014. 129: 238. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2014.03.028

26. Chaplin M. Water structure and science, http://www.lsbu.ac.uk/water/.

27. Gun'ko V.M., Turov V.V. Nuclear Magnetic Resonance Studies of Interfacial Phenomena. (Boca Raton: CRC Press, 2013).https://doi.org/10.1201/b14202

28. Hunter C.A. Van der Waals interactions in non-polar liquids. Chem. Sci. 2013. 4: 834.https://doi.org/10.1039/C2SC21666C

29. Schleyer P.v.R. Encyclopedia of Computational Chemistry. (New York: John Wiley and Sons, 1998).

30. Atkins P.W., Friedman R. Molecular Quantum Mechanics. Fourth edition. (Oxford: Oxford University Press, 2005).

31. COSMOthermX, Version C30_1301, December 12th, COSMOlogic GmbH & Co. KG. (Germany: Leverkusen, 2012).

32. Fujitani Y., Saitoh K., Fushimi A., Takahashia K., Hasegawa Sh., Tanabe K., Kobayashi Sh., Furuyama A., Hirano S., Takami A. Effect of isothermal dilution on emission factors of organic carbon and n-alkanes in the particle and gas phases of diesel exhaust. Atmos. Environ. 2012. 59: 389. https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2012.06.010

33. Dirbude S., Eswaran V., Kushari A. Numerical modelling of droplet evaporation with convection for n-alkanes and kerosene fuel. Atomization Sprays. 2011. 21(9): 787.https://doi.org/10.1615/AtomizSpr.2012004161

34. Guéna G., Poulard C., Cazabat A.M. Evaporating drops of alkane mixtures. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2007. 298(1–2): 2.https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2006.12.008

35. Heldmann M., Knorsch T., Wensing M. Investigation of fuel atomization and evaporation of a DISI injector spray under homogeneous charge conditions. SAE Int. J. Engines. 2013. 6(2): 1213.https://doi.org/10.4271/2013-01-1597

36. Zigan L., Schmitz I., Flügel A., Wensing M., Leipertz A. Structure of evaporating single- and multicomponent fuel sprays for 2nd generation gasoline direct injection. Fuel. 2011. 90(1): 348.https://doi.org/10.1016/j.fuel.2010.08.001

37. Frisch M.J., Trucks G.W., Schlegel H.B. etal.Gaussian 09, Revision D.01. (Gaussian, Inc., Wallingford CT, 2013).

38. Schmidt M.W., Baldridge K.K., Boatz J.A., Elbert S.T., Gordon M.S., Jensen J.H., Koseki Sh., Matsunaga N., Nguyen K.A., Su Sh., Windus Th.L., Dupuis M., Montgomery J.A. General Atomic and Molecular Electronic Structure System. J. Comput. Chem. 1993. 14(11): 1347. https://doi.org/10.1002/jcc.540141112

39. Gordon M.S., Schmidt M.W. Theory and Applications of Computational Chemistry, the First Forty Years. (Amsterdam: Elsevier, 2005).

40. Granovsky A.A. Firefly version 8.1. www http://classic.chem.msu.su/gran/gamess/index.html.

41. Stewart J.J.P. MOPAC 2012. Colorado Springs, CO: Stewart Computational Chemistry, USA, http://openmopac.net.

42. Maia J.D.C., Carvalho G.A.U., Mangueira C.P. GPU linear algebra libraries and GPGPU programming for accelerating MOPAC semiempirical quantum chemistry calculations. J. Chem. Theory Comput. 2012. 8(9): 3072.https://doi.org/10.1021/ct3004645

43. Pedretti A., Villa L., Vistoli G. VEGA: an open platform to develop chemo-bio-informatics applications, using plug-in architecture and script programming. J. Comput. Aided Mol. Des. 2004. 18(3): 167.https://doi.org/10.1023/B:JCAM.0000035186.90683.f2

44. Zhurko G.A., Zhurko D.A. Chemcraft (version 1.7, build 375, 2013). http://www.chemcraftprog.com.

45. Dennington R., Keith T., Millam J. GaussView, Version 5.09. Semichem Inc., Shawnee Mission KS, 2013.

46. Marenich A.V., Cramer C.J., Truhlar D.G. Universal solvation model based on solute electron density and on a continuum model of the solvent defined by the bulk dielectric constant and atomic surface tensions. J. Phys. Chem. B. 2009. 113(18): 6378. https://doi.org/10.1021/jp810292n

47. Yaws C.L. Thermophysical Properties of Chemicals and Hydrocarbons. (New York: Norwich, William Andrew Inc., 2008).

48. Adamson A.W., Gast A.P. Physical Chemistry of Surfaces. 6th ed. (New York: Wiley, 1997).

49. Xia T.K., Landman U. Molecular evaporation and condensation of liquid n-alkane films. J. Chem. Phys. 1994. 101: 2498.https://doi.org/10.1063/1.467689

50. Cheeseright T., Mackey M., Rose S., Vinter J.G. Molecular field technology applied to virtual screening and finding the bioactive conformation. Expert Opin. Drug Discov. 2007. 2(1): 131.https://doi.org/10.1517/17460441.2.1.131

51. Honnery D., Nguyen D., Soria J. Microdroplet evaporation under increasing temperature conditions: Experiments and modelling. Fuel. 2013. 105: 247.https://doi.org/10.1016/j.fuel.2012.04.008

52. Frenkel J. Theorie der Adsorption und verwandter Erscheinungen. Zeitschrift für Physik. 1924. 26(1): 117.https://doi.org/10.1007/BF01327320




DOI: https://doi.org/10.15407/hftp06.01.005

Copyright (©) 2015 V. M. Gun'ko

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.