Thermodynamic modeling of oxygen dissolution in water

Abstract

Розглянуто традиційні методи визначення розчинності кисню у воді. Показано їх переваги та недоліки. Відзначено, що особливо великі труднощі виникають при вимірі РК у реальному хімічному процесі, де температура та компоненти системи, а також їх співвідношення змінюються в часі. Запропоновано новий метод визначення розчинності кисню на основі термодинамічного розрахунку рівноважного фазового та компонентного складу системи кисень-вода шляхом мінімізації ізобарно-ізотермічного потенціалу Гіббса за допомогою програмного комплексу «Селектор». Модель заснована на точному рівнянні стану для розрахунку хімічного потенціалу парової фази та хімічного потенціалу рідкої фази. В результаті отримані математичні закономірності розчинення кисню у воді залежно від широкої області температур та тисків, що дозволяє значно полегшити та розширити діапазон достовірного контролю параметрів хіміко-технологічних процесів. Термодинамічна модель дозволяє проводити розрахунки, як у чистій воді, так у кислотних та сольових розчинах, а також з урахуванням парової фази і без неї. Подано рівняння константи Генрі для кисневого та повітряного середовища від температури в діапазоні 273...373 К та тисків до 10 атм., що дозволяє визначити будь-які проміжні значення. Для цього необхідно в рівняння підставити поточні дані температури та тиску, які легко піддаються виміру. Показано, що в межах цих діапазонів відхилення від експериментальних значень мінімальне ∼1%, що дозволяє використання представлених рівнянь у технологічних розрахунках. Визначено значення температури, при якому спостерігається мінімум розчинності кисню, для чистого кисню Tmin = 370.5 К, для повітря Tmin = 370.3 К., при цьому значення ентальпії змінює знак.

Traditional methods for determining the solubility of oxygen in water are considered. Their advantages and disadvantages are shown. It is noted that especially great difficulties arise when measuring SO in a real chemical process, where the temperature and components of the system, as well as their ratios change over time. The new method for determining the solubility of oxygen based on thermodynamic calculation of the equilibrium phase and component composition of the oxygen-water system by minimizing the isobaric-isothermal potential of Gibbs using the software package "Selector" is proposed. The model is based on the exact equation of state for calculating the chemical potential of the vapor phase and the chemical potential of the liquid phase. The result is mathematical laws of dissolution of oxygen in water depending on a wide range of temperatures and pressures, which allows significantly facilitating and expanding the range of reliable control of the parameters of chemical-technological processes. The thermodynamic model allows calculations to be performed both in pure water and in acid and salt solutions, as well as taking into account the vapor phase and without it. The equation of Henry’s constant is given for oxygen and air from temperatures in the range of 273...373 K and pressures up to 10 atm., which allows determining any intermediate values. To do this, it is necessary to substitute in the equation the current data of temperature and pressure, which are easily measurable. It is shown that within these ranges the deviation from the experimental values is minimal ∼1%, which allows using of the presented equations in technological calculations. The value of the temperature, at which the minimum solubility of oxygen is being observed, for pure oxygen is determined Tmin = 370.5K, for air Tmin = 370.3 K., the value of enthalpy changes sign.