RU2799586C1

RU2799586C1 - Способ определения термического коэффициента давления жидкостей

Info

Publication number: RU2799586C1
Application number: RU2023103728A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Анатольевич Корнилов; Ахат Газизьянович Мустафин
Filing date: 2023-02-20
Publication date: 2023-07-06

Abstract

Изобретение относится к области исследований жидкостей путем определения их физических свойств. Способ определения термического коэффициента давления жидкостей включает термостатирование и нагрев жидкости в емкости постоянного объема с помощью двух последовательно подключенных термостатов, фиксацию изменения температуры и давления, и отличается тем, что в качестве емкости постоянного объема используют стальную ячейку высокого давления и обеспечивают изменение давления исследуемой жидкости при ее нагреве вследствие постоянства объема стальной ячейки. Технический результат заключается в повышении точности определения термического коэффициента давления и повышение уровня безопасности при проведении экспериментальных исследований. 5 ил., 6 табл., 3 пр.

Description

Изобретение относится к области физико-химических исследований жидкофазных систем. Термический коэффициент давления, (∂P/∂T)_V, является одним из самых важных фундаментальных свойств; он связан с такими свойствами, как внутреннее давление, скорость звука, энтропия плавления, изотермическая сжимаемость, изобарное расширение [1]. Термический коэффициент давления является полезным инструментом для понимания природы жидкости [1]. Термический коэффициент давления используется для оптимизации моделирования технологических процессов, протекающих при высоком давлении[2,3].

Известны способы определения термического коэффициента давления жидкостей, основанные на использовании стеклянных сосудов постоянного объема [4,5]. Суть способов заключается в следующем: образец жидкости помещается в стеклянную ячейку, где со всех сторон ограничен ртутью, а общий объем жидкости поддерживается постоянным при повышении температуры автоматически благодаря внешнему давлению, которое удерживает внешний мениск ртути в непосредственной близости от вольфрамового наконечника. Ячейка помещается внутрь стального сосуда высокого давления, который, в свою очередь, помещается в термостат, заполненный маслом или водой. Система создания давления основана на азоте, подаваемом из баллона, и контроле давления, основанном на комбинации постоянной течи и клапана соленоида, регулируемого ртутно-вольфрамовым контактом. Давление измеряется с помощью стандартного измерительного прибора типа Буденберга-Бурдона, откалиброванного с точностью ±0,1 бар в интервале давлений до 70 бар. Температура определяется с помощью платинового элемента сопротивления DegussaHartglass с точностью ±0,1°C.

Недостатком данных способов определения термического коэффициента давления является использование в конструкции приборов стеклянных ячеек, которые сохраняют свою целостность в очень ограниченном интервале повышенных давлений. Ограничение применяемого давления ведет к ограничению роста температуры, что может привести к увеличенной ошибке определения термического коэффициента давления. Недостатком данных способов определения термического коэффициента давления является также использование в конструкции приборов токсичной ртути, которая представляет угрозу для окружающей среды и здоровья человека.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ определения термического коэффициента давления, основанный на использовании термометра постоянного объема Гильдебранда [6]. Способ заключается в следующем: жидкость помещается в термометр, затем жидкость нагревают, при этом фиксируется изменение температуры, и прикладывается внешнее давление таким образом, чтобы обеспечить постоянство объема жидкости. Термометр припаивается к специальному перегонному аппарату, где происходит дистилляция жидкости и данный сосуд заполняется очищенной дегазированной жидкостью. Затем сосуд слегка охлаждается льдом, отсоединяется от перегонного аппарата, к открытому концу капилляра прикрепляется маленькая чашечка с чистой ртутью и все это помещается в ртутный колодец. Затем ртутная система закрывается толстой резиновой шайбой и стальной гайкой. При подаче давления в систему жидкость в колбе сжимается, а ртуть поднимается по капилляру. Постоянство объема фиксируется с помощью метки на капилляре и электрического контакта. Давление создается до тех пор, пока ртуть не коснется платинового контакта, при этом очень небольшие изменения давления замыкают или размыкают электрическую цепь через этот контакт.

Недостатком данного способа определения термического коэффициента давления является использование стеклянных ячеек в конструкции прибора, которые ограничивают предел максимального давления (25 бар), создаваемого в таких ячейках. Это, в свою очередь, ограничивает предел увеличения температуры в ячейке с исследуемой жидкостью, что может привести к увеличенной ошибке определения термического коэффициента давления. Недостатком данного способа также является использование в устройстве токсичной ртути.

Задача изобретения – определение термического коэффициента давления жидкостей в широком интервале давлений и температур.

Технический результат – повышение точности определения термического коэффициента давления и повышение уровня безопасности при проведении экспериментальных исследований.

Технический результат достигается способом определения термического коэффициента давления жидкостей, включающим термостатирование и нагрев жидкости в емкости постоянного объема с помощью двух последовательно подключенных термостатов, фиксацию изменения температуры и давления, в котором в отличие от прототипа в качестве емкости постоянного объема используют стальную ячейку высокого давления и обеспечивают изменение давления исследуемой жидкости при ее нагреве вследствие постоянства объема стальной ячейки.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 приведена принципиальная схема устройства для реализации способа определения термического коэффициента давления жидкостей. Устройство состоит из ячейки высокого давления 1, двух водных термостатов 2 и 3, компьютера 4. На фиг. 2 представлена принципиальная схема ячейки высокого давления. Ячейка высокого давления состоит из стального цилиндра 5 с внутренней емкостью 6 объемом 72 см³для исследуемой жидкости, верхнего стопорного винта 7, нижнего стопорного винта 8, трубки для сброса лишней жидкости 9, прецизионного датчика давления 10. Прецизионный датчик давления конвертер подключен к компьютеру 4. Погрешность определения давления составляет ±0,01 бар. Для установления и поддержания постоянной температуры внутри ячейки высокого давления использовалась система из двух водных термостатов, подключенных последовательно, погрешность определения температуры ±0,01°C. Запись измерений проводилась с помощью программы ControlCenterSeries 30.

Очищенную и дегазированную исследуемую жидкость заливали во внутреннюю емкость 6 ячейки высокого давления 1 с помощью шприца с длинной иглой через нижний стопорный винт 8, чтобы предотвратить образование пузырьков воздуха и паров исследуемой жидкости в ячейке. При этом температура исследуемой жидкости на 2-3°C ниже температуры воды в термостате.

Перед каждым экспериментом избыточное давление сбрасывали путем открытия верхнего стопорного винта 7. Измерения давления проводили обычно с шагом 5°C. Перед каждым измерением проводили термостатирование ячейки высокого давления с исследуемой жидкостью в течение 20 минут.

Примеры конкретной реализации способа.

Пример 1

Было проведено 6 серий измерений давления (P) и температуры (T)для толуола, начиная с 25, 30, 35, 40, 45 и 50°C. Зависимости давления от температуры представлены на фиг.3 (1 – измерения давления и температуры, начиная с 25°С; 2 – с 30°С; 3 – с 35°С;4 – с 40°С; 5 – с 45°С; 6 – с 50°С).

В таблице 1 приведены экспериментальные значения давления (P, бар) и температуры (T, °C), полученные для толуола.

Табл.1

T	P	T	P	T	P	T	P	T	P	T	P
25	1.84	30	1.60	35	1.32	40	1.58	45	1.66	50	1.20
30	54.07	35	54.33	40	53.33	45	51.97	50	50.86	55	49.13
35	108.29	40	107.26	45	104.86	50	102.09	55	99.55	60	96.59
40	162.12	45	159.55	50	155.84	55	151.70	60	147.80	65	143.70
45	215.24	50	211.46	55	206.44	60	200.96	65	195.45	70	190.36
50	267.96	55	262.91	60	256.47	65	249.83	70	242.60
55	319.87	60	313.83	65	306.09	70	298.13
60	371.53	65	364.30
65	422.69

Зависимость давления от температуры описывается линейным уравнением для каждой серии экспериментов с коэффициентом корреляции R ²> 0.9999. По тангенсу угла наклона определены экспериментальные значения температурного коэффициента давления (γ_эксп).

В таблице 2 приведены полученные значения температурного коэффициента давления γ_эксп (бар/К) при разных начальных температурах T (°C) для толуола и значения стандартного отклонения S.

Табл.2

T	γ _эксп	S
25	10.55	±0.036
30	10.37	±0.035
35	10.16	±0.037
40	9.89	±0.032
45	9.64	±0.038
50	9.46	±0.028

Пример 2

Было проведено 8 серий измерений давления (P) и температуры (T) для этиленгликоля, начиная с 20, 25, 30, 35, 41, 46, 51 и 57°C. Зависимости давления от температуры представлены на фиг. 4 (1 – измерения давления и температуры, начиная с 20°С;2 – с 25°С; 3 – с 30°С;4 – с 35°С; 5 – с 41°С; 6 – с 46°С, 7 – с 51°С, 8 – с 57°С).

В таблице 3 приведены экспериментальные значения давления (P, бар) и температуры (T, °C), полученные для этиленгликоля.

Табл.3

T	P	T	P	T	P	T	P
20	0.30	25	0.83	30	0.10	35	0.29
21	15.45	30	74.00	35	70.09	40	72.85
23	45.44	35	148.40	40	143.73	45	145.83
25	75.60	40	222.80	45	217.29	50	218.92
28	120.61	45	297.04	50	290.96	55	291.84
30	150.54	50	371.25	55	364.65	60	364.72
35	225.55	55	445.34	60	438.40	65	436.49
40	300.55
45	375.50
50	450.35

В таблице 4 приведены полученные значения температурного коэффициента давления γ_эксп (бар/К) при разных начальных температурах T (°C) для этиленгликоля и значения стандартного отклонения S.

Табл.4

T	γ _эксп	S
20	15.00	±0.003
25	14.83	±0.013
30	14.65	±0.046
35	14.56	±0.008
41	14.47	±0.005
46	14.38	±0.011
51	14.25	±0.011
57	14.04	±0.016

Пример 3

Было проведено 7 серий измерений давления (P) и температуры (T) для н-гексана, начиная с 20, 25, 30, 35, 40, 45и 50°C. Зависимости давления от температуры представлены на фиг. 5 (1 – измерения давления и температуры, начиная с 20°С;2 – с 25°С; 3 – с 30°С;4 – с 35°С; 5 – с 40°С; 6 – с 45°С, 7 – с 50°С).

В таблице 5 приведены экспериментальные значения давления (P, бар) и температуры (T, °C), полученные для н-гексана.

Табл.5

T	P	T	P	T	P	T	P	T	P	T	P	T	P
20	1.52	25	1.42	30	1.33	35	1.32	40	1.34	45	1.53	50	1.51
25	41.51	30	40.11	35	38.90	40	37.70	45	36.55	50	35.67	55	34.31
30	81.21	35	78.63	40	76.19	45	73.82	50	71.57	55	69.65	60	67.10
35	120.63	40	116.85	45	113.26	50	109.68	55	106.36	60	103.33	65	99.72
40	159.78	45	154.82	50	150.08	55	145.29	60	140.89	65	136.80	70	132.16
45	198.64	50	192.52	55	186.63	60	180.61	65	175.23	70	170.06	75	164.19
50	237.21	55	229.94	60	222.91	65	215.59	70	209.33	75	203.13	80	196.24
55	275.49	60	267.09	65	258.94	70	250.25	75	243.20	80	235.97
60	313.47	65	303.97	70	294.70	75	284.51	80	276.83
65	351.18	70	340.57	75	330.22	80	318.40
70	388.61	75	376.92	80	365.52

В таблице 6 приведены полученные значения температурного коэффициента давления γ_эксп (бар/К)при разных начальных температурах T (°C) для н-гексана и значения стандартного отклонения S.

Табл.6

T	γ _эксп	S
20	7.74	±0.027
25	7.51	±0.025
30	7.28	±0.024
35	7.05	±0.027
40	6.89	±0.019
45	6.70	±0.017
50	6.49	±0.015

Как следует из приведенных примеров, предложенный способ определения термического коэффициента давления обеспечивает высокую точность с минимальным значением стандартного отклонения S в широком интервале давлений и температур.

Использованные источники:

[1] Zeng, Z.Y. EmpiricalRegularityoftheThermalPressureCoefficientforDenseFluids /Z.-Y. Zeng, Y.-Y. Xu, X.-S. Li, Y.-W. Li //Ind. Eng. Chem. Res. – 2010. – V.49. – P.7654-7659.

[2] Kielczynski, P. Evaluation of High-Pressure Thermophysical Parameters of the Diacylglycerol (DAG) Oil Using Ultrasonic Waves /P.Kielczynski,M. Szalewski, A. Balcerzak, K. Wieja, A.J. Rostocki, S. Ptasznik// Food and Bioprocess Technology. – 2017. – V.10. – P. 358-369.

[3] Spivey, J.P. Applications of the Coefficient of Isothermal Compressibility to Various Reservoir Situations With New Correlations for Each Situation / J.P. Spivey, P.P. Valko, W.D. McCain // SPE Res. Eval. & Eng. – 2007. – V.10. – P. 43-49.

[4] Lau, C.F. The thermal pressure coefficient of dimethylsulphoxide / C.F. Lau, G.N. Malcolm, D.V. Fenby //Australian Journal of Chemistry.– 1969. – V.22. – P. 855-858.

[5] McLure, I.A. Thermal Pressure Coefficients of Ethanenitrile, Propanenitrile, and Butanenitrileintheregion 295-395 K /I.A. McLure, J.L. Arriaga-Colina //Int. J. Thermophys. – 1984. – V.5. – P. 291-300.

[6] Westwater, W. The internal pressure of pure and mixed liquids /W. Westwater, H.W. Frantz, J.H. Hildebrand //Phys. Rev.– 1928.–V.31.–P.135-144.

Claims

Способ определения термического коэффициента давления жидкостей, включающий термостатирование и нагрев жидкости в емкости постоянного объема с помощью двух последовательно подключенных термостатов, фиксацию изменения температуры и давления, отличающийся тем, что в качестве емкости постоянного объема используют стальную ячейку высокого давления и обеспечивают изменение давления исследуемой жидкости при ее нагреве вследствие постоянства объема стальной ячейки.