Моделирование антифризов и теплоаккумуляторов с заданными параметрами на основе органических систем
Использование термодинамического подхода при моделировании фазовых равновесий для неэвтектических и эвтектических систем. Определение состава и температуры плавления, построение кривых ликвидуса. Вычисление параметров ассоциации компонентов в растворе.
| Рубрика | Химия |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 25.10.2018 |
| Размер файла | 72,0 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://allbest.ru
Кемеровский государственный университет
Моделирование антифризов и теплоаккумуляторов с заданными параметрами на основе органических систем
М.Р. Корчуганова, А.М. Гришаева, З.Н. Есина
С целью сохранения и рационального использования энергии природного или техногенного происхождения разрабатываются антифризы и тепловые аккумуляторы, основанные на использовании теплоты плавления или кристаллизации.
При этом решается целый ряд технических задач:
- создание антифризов с заданными свойствами для охлаждения двигателей внутреннего сгорания, увеличение сохранности пищевых продуктов, сохранения консервированной крови и трансплантантов в медицине; выбор оптимальных составов для обработки растений, пораженных вредителями, действие которых основано на разрушении природных антифризов, позволяющих насекомым переносить низкие температуры;
- разработка составов теплоносителей для создания экономичных теплоаккумуляторов с заданными свойствами и в широком диапазоне температур.
Тепловая энергия может накапливаться в теплоаккумулирующем материале, действие которого связано с поглощением или выделением теплоты фазового перехода.
Осуществляя тепловую защиту, в рабочем веществе теплоаккумулятора может поддерживаться заданная температура.
Антифризы и тепловые аккумуляторы с использованием теплоты фазового перехода конструируются на основе различных реальных систем, как правило, многокомпонентных, что обусловлено необходимостью достижения требуемых свойств: температуры плавления, вязкости, теплопроводности, способности противостоять коррозии металла аккумулятора.
Главное требование, предъявляемое к этим системам - наличие точки эвтектики, в которой температура плавления ниже, чем температура плавления компонентов, входящих в состав раствора.
Эксперименты по выбору состава аккумуляторов являются трудоемкими и требуют значительных затрат. Поэтому большое значение имеет расчет состава, теплоты и температуры плавления эвтектики и других свойств теплоаккумуляторов.
Наиболее эффективными являются методы математического моделирования фазовых равновесий, основанные на использовании термодинамического подхода.
В настоящее время во многих работах проводится расчет фазовых равновесий тепловых аккумуляторов с помощью единого квазихимического уравнения UNIQUAC [1], но, как отмечают авторы [2], для расчетов равновесий в многокомпонентных системах эта модель недостаточно эффективна.
Избыточная энергия Гиббса представляет собой разность энергий реальной и идеальной системы
(1)
где - эффективная молярная доля первого компонента раствора,
, являющаяся функцией параметра ассоциации ;
- парциальная энтальпия смешения;
- температура фазового перехода чистого -го компонента;
- абсолютная температура;
- универсальная газовая постоянная.
Минимизация избыточной энергии Гиббса по параметру ассоциации методом, предложенным авторами в работе [3] приводит к уравнению
(2)
моделирующему диаграмму фазового равновесия при .
Преимуществом описываемого метода моделирования фазового равновесия для неэвтектических систем является использование малого числа параметров, необходимых для расчета - это температура и энтальпия плавления чистых компонентов.
Для эвтектических систем моделирование фазового равновесия проводится в два этапа: сначала из условия находятся параметры эвтектической точки - состав и температура плавления, а затем по эвтектическим данным моделируются кривые ликвидуса.
Коэффициенты активности в точке эвтектики () найдем из уравнений
где - энтальпия и температура плавления -го компонента.
При аппроксимации коэффициентов активности с помощью уравнения Маргулеса, Карлсон и Кольберн предложили записывать двухпараметрические уравнения Маргулеса в виде
(3)
где - параметры уравнения.
С использованием состава и вычисленных по формулам (3) коэффициентов активности в точке эвтектики находим параметры уравнений
При бесконечном разбавлении коэффициенты активности
Возможно использование уравнения Ван-Лаара, уравнения Вильсона, разложения в ряд Редлиха-Кистера и других термодинамически согласованных уравнений для коэффициентов активности, позволяющих моделировать кривые ликвидуса.
Можно также определять средний параметр ассоциации компонентов в растворе по формуле средней арифметической взвешенной, где в роли весов выступают концентрации одного из компонентов в точках возможных эвтектик. Это позволяет определять состав и температуру плавления реального раствора в точке эвтектики, а также в любой точке на диаграмме фазового равновесия, что необходимо для выбора рабочих параметров теплоаккумулирующего состава.
В данной работе эти методы моделирования применяются для расчета параметров бинарных ассоциирующих растворов, включающих гликоли, спирты насыщенные жирные кислоты и парафины [4-5].
|
|
|
|
|
а) |
б) |
Рис. Температура плавления системы пропиленгликоль-вода: а) - как функция от эффективной мольной доли; б) - в зависимости от массовой доли пропиленгликоля.
На рис. приведены кривые, моделирующие зависимость температуры плавления раствора пропиленгликоль - вода от эффективной мольной доли и массовой доли первого компонента. Точками, соединенными ломаными линиями, показаны эвтектики.
Таблица 1. Расчет состава и температуры плавления эвтектики в растворах гликолей и спиртов
|
Компоненты Системы |
Состав эвтектики, масс, % |
Температура эвтектики Т, С |
Теплота плавления, Дж/моль |
|
|
Триэтиленгликоль |
0,78743 |
-45,85 |
15604,52 |
|
|
Вода |
0,21257 |
|||
|
Пропиленгликоль |
0,75000 |
-76,3 |
29564,92 |
|
|
Вода |
0,25000 |
|||
|
Этиловый спирт |
0,895754 |
-136,49 |
5268,5 |
|
|
Вода |
0,104246 |
|||
|
Пропиловый спирт |
0,945035 |
-137,63 |
5342,03 |
|
|
Вода |
0,054965 |
|||
|
Глицерин |
0.188237 |
-64.21 |
32199,54 |
|
|
Пропиленгликоль |
0.811763 |
|||
|
Триэтиленгликоль |
0,318599 |
-64,32 |
29902,38 |
|
|
Пропиленгликоль |
0,681401 |
|||
|
Этиленгликоль |
0,363812 |
-60,55 |
9314,14 |
|
|
Диэтиленгликоль |
0,465665 |
|||
|
Вода |
0,170523 |
|||
|
Этиленгликоль |
0,264849 |
-69,97 |
24634,56 |
|
|
Пропиленгликоль |
0,591187 |
|||
|
Вода |
0,14396 |
термодинамический эвтектический ликвидус раствор
Таблица 2. Расчет состава и температуры плавления эвтектики в растворах насыщенная жирная кислота - парафин.
|
Компоненты Системы |
Состав эвтектики, масс, % |
Температура эвтектики Т, С |
Теплота плавления, Дж/моль |
|
|
Пальмитиновая к-та |
0,094980 |
26,97 |
61298,24 |
|
|
Октадекан |
0,90502 |
|||
|
Стеариновая к-та |
0,062116 |
27,39 |
61677,89 |
|
|
Октадекан |
0,937884 |
|||
|
Пальмитиновая кислота |
0,179871 |
37,48 |
66757,76 |
|
|
Генейкозан |
0,820129 |
|||
|
Пальмитиновая кислота |
0,012828 |
5,125 |
46087 |
|
|
Генейкозан |
0,058491 |
|||
|
Тетрадекан |
0,928681 |
|||
|
Пальмитиновая кислота |
0,059812 |
23,81 |
63341,41 |
|
|
Генейкозан |
0,272717 |
|||
|
Октадекан |
0,667471 |
Приведенные в таблицах результаты расчетов согласуются с имеющимися экспериментальными данными по изучаемым системам, применяемым в антифризах и теплоаккумуляторах [4-5].
Литература
1. Уайлес, С. Фазовые равновесия в химической технологии: В 2-х. ч. Ч. 2. Пер. с англ./ С. Уайлес. - М.: Мир, 1989. - 360 с.
2. Доценко, С.П. Обзор аналитических способов исследования смесей и растворов низко- и высокомолекулярных веществ / С.П. Доценко, С.Г. Шабалина, А.В. Марцинковский //Физико-химический анализ свойств многокомпонентных систем. - Электронный научный журнал выпуск II -2004.
3. Есина, З. Н. Водные растворы гликолей. 1. Избыточная энергия Гиббса и вопросы образования кластеров / З. Н. Есина, А. М. Мирошников, А. А.Третьяков // Сборник научных работ «Техника и технология пищевых производств». - Кемерово: Изд-во КемТИПП, -2005. - C. 71-76.
4. Дымент, О.Н. Гликоли и другие производные окисей этилена и пропилена / О.Н. Дымент, К.С. Казанский, А.М. Мирошников.- М.: Химия, 1976.-373 с.
5. Доценко, С. П. Теплоаккумулирующие свойства н-парафинов, жирных кислот и многокомпонентных систем на их основе. /С. П. Доценко, А. В. Марцинковский, В. Н. Данилин // Физико-химический анализ свойств многокомпонентных систем. - Электронный научный журнал, выпуск 1. - 2003.
Аннотация
УДК 544.016.2
Антифризы и теплоаккумуляторы на основе органических систем. З.Н. Есина, А.М. Мирошников, А.А. Третьяков,М.Р. Корчуганова, А.М. Гришаева, Кемеровский государственный университет, Кемеровский технологический институт пищевой промышленности, г. Кемерово, E-mail: ezn2@rambler.ru
Антифризы и тепловые аккумуляторы с использованием теплоты фазового перехода конструируются на основе различных реальных систем.
Эксперименты по выбору состава аккумуляторов являются трудоемкими и требуют значительных затрат.
В данной работе для расчета параметров бинарных ассоциирующих растворов, включающих гликоли, спирты насыщенные жирные кислоты и парафины применяется метод минимизации избыточной энергии Гиббса по параметру ассоциации. Предложены оптимальные составы антифризов на основе гликолей и спиртов, а также теплоаккумуляторов на основе растворов насыщенных жирных кислот и парафинов.
Annotation
UDK 544.016.2
Antifreezes and thermal receivers on the basis of organic systems. Z. N. Esina, A. M. Miroshnikov, A. A. Tretyakov, M. R. Korchuganova, A. M. Grishaeva. Kemerovo state university. Kemerovo institute of technology of a food-processing industry. Kemerovo. E-mail: ezn2@rambler.ru
The antifreezes and heat accumulators with usage of heat of phase change are constructed on the basis of different substantial systems. The experiments at the choice of composition of accumulators are laborious and require considerable expenditures. In the given operation for calculation of parameters of binary associating solutions including glycols, alcohol saturated fatty acids and lamp waxes the method of minimization of an exuberant energy of the Gibbs on parameter of association is applied. The optimal compositions of antifreezes are offered on the basis of glycols and alcohol, and also thermal receivers on the basis of solutions of saturated fatty acids and lamp waxes.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Составление ионных уравнений реакции. Определение процентной доли компонентов сплава. Вычисление изменения энергии Гиббса для химической реакции. Построение диаграммы состояния систем висмут-теллур. Определение состояния однокомпонентной системы.
контрольная работа [552,6 K], добавлен 09.12.2009Характеристика адсорбционных методов. Расчет изотермы адсорбции молекулярно-растворенных органических веществ на активных углях. Методы выбора и контроля адсорбентов для очистки воды. Влияние ионизации и ассоциации молекул в растворе на их адсорбцию.
курсовая работа [2,0 M], добавлен 17.08.2009Характеристика самоорганизации поверхностно-активных веществ в растворе. Критическая концентрация мицеллообразования, классификация систем, формируемых дифильными веществами. Влияние температуры и растворенных веществ на KKM. Модель фазового разделения.
контрольная работа [2,6 M], добавлен 04.09.2009Свойства простых и сложных систем ионогенных ПАВ, их определение электростатическими взаимодействиями. Оксиэтилированные полимеры и НПАВ. Схематическое изображение мицеллы. Исследование влияния температуры на поведение НПАВ с помощью фазовых диаграмм.
контрольная работа [1,6 M], добавлен 04.09.2009Описание меди и сплавов на её основе (бронзы). Диаграммы состояния Be–Cu, Be–Ni, Cu–Ni. Особенности термодинамического моделирования свойств твёрдых металлических растворов. Расчёт термодинамических активностей компонентов бериллиевой бронзы БрБ2.
курсовая работа [1,1 M], добавлен 13.03.2011Рассмотрение теоретических сведений о парциальных мольных свойствах компонентов раствора. Определение объема, энтропии, энтальпии и теплоемкости в бинарном растворе. Вычисление плотности масс водных растворов исследуемого вещества различной концентрации.
методичка [180,4 K], добавлен 24.05.2012Определение содержания носителей щелочности в растворе карбоната натрия методом прямого кислотно-основного титрования. Математическое выражение закона эквивалентов. Построение интегральной и дифференциальной кривых потенциометрического титрования.
лабораторная работа [148,2 K], добавлен 15.02.2012Определение термодинамических характеристик процессов плавления, испарения и сублимации исследуемого вещества (CsY (pta) 4). Дифференциальная сканирующая калориметрия. Особенности тензиметрического метода исследования зависимости давления от температуры.
реферат [194,9 K], добавлен 13.04.2012Обзор и анализ существующих методов оптимизации химико-технологических процессов. Определение параметров уравнения Аррениуса. Определение оптимальной температуры. Расчёт зависимости оптимальной скорости химической реакции от степени превращения.
курсовая работа [498,1 K], добавлен 18.06.2015Методы изучения гетерогенных систем. Неизоморфные смеси, образующие устойчивое химическое соединение. Построение диаграммы фазового состояния системы MgCl2-RbCl. Определение качественного и количественного состава эвтектик, построение диаграммы плавкости.
контрольная работа [833,9 K], добавлен 26.01.2013Хроматографический и оптический методы анализа. Определение состава смеси органических спиртов, содержания ионов металлов в растворе, содержания лактозы (сахарозы). Определение содержания карбоната и гидрокарбоната в смеси методом прямого титрования.
методичка [418,5 K], добавлен 13.11.2009Особенности пленкообразования непредельных соединений. Жидкие каучуки как пленкообразователи для водоразбавляемых лакокрасочных материалов. Определение эпоксидных групп в присутствии органических оснований, их реакции с кислотами различной природы.
курсовая работа [247,3 K], добавлен 07.07.2012Математическое моделирование полидисперстных систем; применение полимерных микросфер. Электронная микроскопия; пакет программы TableCurve. Анализ дисперсности эмульсий в процессе полимеризации, построение гистограмм распределения глобул полистирола.
реферат [2,8 M], добавлен 08.05.2011Механизмы процессов плавления и новой рекристаллизации кристаллических полимеров. Природа явлений, происходящих при нагревании в области плавления полимера. Подробное рассмотрение температурного режима плавления как этапов рекристаллизации полимеров.
статья [484,3 K], добавлен 22.02.2010Зависимость растворимости газов в жидкостях от природы газа и растворителя, давления и температуры. Равновесие жидкость-жидкость и пар-жидкий раствор. Построение диаграммы плавкости двухкомпонентной системы легкоплавких веществ (нафталин-дифениламин).
реферат [483,4 K], добавлен 09.03.2015Тепловые эффекты физических и химических превращений. Основные термоаналитические методы. Регистрация изменения температуры исследуемого вещества при его нагревании или охлаждении в виде различных кривых: температурных, дифференциальных, деривативных.
контрольная работа [142,9 K], добавлен 27.06.2011Тепловой эффект реакции при стандартных условиях. Зависимость скорости химической реакции от температуры. Температурный коэффициент. Осмос, осмотическое давление, осмотический коэффициент. Отличительные признаки дисперсных систем от истинных растворов.
контрольная работа [49,7 K], добавлен 25.07.2008Метод кислотно-основного титрования: понятие и содержание, основные этапы и принципы реализации, предъявляемые требования, главные условия и возможности применения. Расчет рН растворов. Построение кривых титрования. Выбор индикатора и его обоснование.
презентация [1,4 M], добавлен 16.05.2014Составы равновесных жидкости и пара. Определение состояние пара. Законы Коновалова. Дробная перегонка и ректификация. Зависимость состава паровой фазы от температуры. Давление насыщенного пара в системах с ограниченной взаимной растворимостью компонентов.
лекция [600,0 K], добавлен 28.02.2009Особенности структуры ряда термоэластопластов. Изучение разных свойств полиуретанов, синтезированных на основе НДИ, в зависимости от температуры и химического состава. Сопоставление дифрактограмм ПЭУ и специально синтезированного из БД и НДИ полимера.
статья [345,1 K], добавлен 22.02.2010
