Calculation of diffusion coefficients of gaseous mixtures containing alkanes using ab initio potentials
Theoretical Chemistry: Molecules, Materials, Surfaces
Final Report Abstract
Im Rahmen dieses Projektes wurden mittels der kinetischen Gastheorie Diffusionskoeffizienten für zwei Modellmischungen, Krypton-Helium und Propan-Helium, mit hoher Genauigkeit ausgehend von neu entwickelten Ab-initio-Paarpotentialen berechnet. Aufgrund einer neuen Publikation zum Paarpotential des reinen Kryptons wurden zunächst tiefergehende Berechnungen u. a. zu relativistischen Effekten auf die Wechselwirkungsenergie für dieses System durchgeführt. Schließlich wurde eine hochgenaues Krypton-Krypton-Potentialfunktion abgeleitet, mit deren Hilfe Referenzwerte fur Virialkoeffizienten und Transportgrößen von verdünntem Kryptongas berechnet wurden, die sehr gut mit verfügbaren experimentellen Daten übereinstimmen. Die Erkenntnisse bei der Untersuchung der Krypton-Krypton-Wechselwirkung sind relevant fur Studien weiterer Edelgassysteme und wurden auf das gemischte Krypton-Helium-Paarpotential übertragen. Die Ergebnisse für Krypton-Helium stellen eine klare Verbesserung gegenüber älteren Ab-initio-Paarpotentialen dar. Berechnete thermophysikalische Daten für Krypton-Helium-Gasmischungen sind in hervorragender Übereinstimmung mit den besten experimentellen Daten. Die Analyse der Ergebnisse für die Berechnung der Transporteigenschaften zeigt, dass eine Konvergenz bezüglich der Näherungsordnung des gaskinetischen Formalismus mit der verwendeten Näherung fünfter Ordnung auch für Mischungen erreicht ist. Für das System PropanHelium wurde eine Ab-initio-Paarpotentialhyperfiache mit 56 Parametern ausgehend von quantenmechanisch berechneten Wechselwirkungsenergien entwickelt. Berechnete zweite Kreuzvirialkoeffizienten bestätigen die Verlässlichkeit der verwendeten Methoden. Die in der Arbeitsgruppe entwickelten Verfahren zur Berechnung von Transporteigenschaften molekularer Gase und Gasmischungen wurden für den allgemeinen Fall einer Molekül-Atom-Wechselwirkung angepasst und auf das System Propan-Helium angewendet. Die so ermittelten Werte für den binaren Diffusionskoeffizienten sind in sehr guter Übereinstimmung mit den verfügbaren experimentellen Vergleichsdaten. Somit stellte sich die Annahme als gerechtfertigt heraus, dass das oftmals in molekularen Simulationen als flexibel betrachtete Propan-Molekül für Berechnungen im Rahmen der kinetischen Gastheorie als starr behandelt werden kann. Diese Schlussfolgerung ist für weitere theoretische Untersuchungen zu industriell relevanten Gasen und Gasmischungen von hoher Bedeutung.
Publications
- (2017) Thermophysical properties of krypton-helium gas mixtures from ab initio pair potentials. The Journal of chemical physics 146 (21)214302
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(See online at https://doi.org/10.1063/1.4984100) - Ab initio-Potential und thermophysikalische Eigenschaften fur Propan-Helium-Gasmischungen, Thermodynamik-Kolloquium, 5.-7. Oktober 2015, Bochum
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- Systematic study of mass transfer in a Loschmidt Cell for binary gas mixtures, Int. J. Thermophys. 36, 3116 (2015)
T. Kugler, B. Jäger, E. Bich, M. H. Rausch, A. P. Fröba
(See online at https://doi.org/10.1007/s10765-015-1966-4) - Thermophysical property predictions for gaseous methane-nitrogen and propane-helium mixtures from ab initio potential energy surfaces, 19th Symposium on Thermophysical Properties, 21.-26. Juni 2015, Boulder, Colorado, USA
B. Jäger, R. Hellmann, E. Bich
- State-of-the-art ab initio potential energy curve for the krypton atom pair and thermophysical properties of dilute krypton gas, J. Chem. Phys. 144, 114304 (2016)
B. Jäger, R. Hellmann, E. Bich, E. Vogel
(See online at https://doi.org/10.1063/1.4994267)
