Фазовые равновесия в конденсированных системах с участием циклододекана и н-алканов

Размещено на http://allbest.ru

3

Самарский государственный технический университет

Кафедра общей и неорганической химии

УДК 541.12.017

Фазовые равновесия в конденсированных системах с участием циклододекана и н-алканов

Гаркушин Иван Кириллович,

Колядо Александр Владимирович,

Петров Евгений Петрович,

Шамитов Александр Анатольевич

Самара

Введение

Современная энергетика ориентирована на развитие экологически чистых способов получения электроэнергии. В климатических районах с преобладанием солнечных дней в году в качестве альтернативного получения источника энергии могут выступать гелиевые энергетические установки.

В данных установка применяется передача из сфокусированного тепла солнечного излучения к рабочему телу паровой турбины, при этом используется промежуточный теплоноситель, который передает тепло воде.

Применяющийся промежуточный теплоноситель должен обладать рядом свойств: быть дешевым и доступным, обладать широким температурным диапазоном, выдерживать большое число циклов «нагрев-охлаждение», обладать низкой токсичностью и не оказывать коррозионного воздействия на металлические материалы.

Анализ данных литературы показывает, что в качестве таких теплоносителей могут быть использованы н-алканы, а также их смеси, в том числе включающие циклоалканы.

Теоретическая часть

В качестве объектов исследования для поиска новых теплоносителей выбраны системы н-С₁₀Н₂₂-С₁₂Н_24, н-С₁₈Н₃₈-С₁₂Н₂₄,н-С₁₀Н₂₂-н-С₁₈Н₃₈-С₁₂Н₂₄.

Предварительный прогноз фазовых диаграмм двухкомпонентных систем осуществлялся с использованием теории идеальных растворов, в рамках которой было выведено упрощённое уравнение растворимости (уравнение Шредера - Ле Шателье) [1, 2]:

lnX_A =

где X_A - мольная доля компонента А в расплаве; D_mH_A - мольная энтальпия плавления вещества А, Дж/моль; - температура плавления эвтектического состава, К;

- температура плавления чистого компонента А, К; R - мольная газовая постоянная, равная 8.314 Дж/моль К.

Данные по температурам и энтальпиям плавления индивидуальных компонентов взяты из литературы[3,4].Результаты расчёта характеристик эвтектических сплавов в системах н-С₁₀Н₂₂-С₁₂Н_24, н-С₁₈Н₃₈-С₁₂Н_24, н-С₁₀Н₂₂- н-С₁₈Н₃₈- С₁₂Н₂₄ приведено в таблице.

Таблица. Данные расчёта характеристик эвтектических составов в двухкомпонентных системах.

Экспериментальная часть

Экспериментальное исследование проводили с использованием установки на базе дифференциального сканирующего калориметра теплового потока (микрокалориметр ДСК) [5]. Конструкция микрокалориметра была доработана путем введения термостатируемого кожуха для поддержания постоянной температуры холодных спаев термопар и термокомпенсатора. Через термостатируемый кожух с помощью термостата U10 постоянно пропускалась вода с температурой 40±0.1 єС. Нагревание исследуемых составов проводили со скоростью 4 К/мин. Ошибка в измерении температуры составляла ±0.25 єС. Составы готовились из веществ заводского изготовления квалификаций «ч» и «р.а.» методом точных навесок с содержанием основного вещества не менее 99 % масс. Термограммы снимали в диапазоне от минус 70 до 70 єС.

Результаты и их обсуждение

Первыми были исследованы составы, отвечающие расчётному значению эвтектики. По характеру термограмм было выявлено, что расчётные эвтектики не отвечают положению нонвариантного равновесия в системах. В связи с этим были проведены исследования фазовых равновесий методом ДТА.

Система н-декан-циклододекан. Фазовая диаграмма системы была построена по совокупности 6 составов. Система н-декан-циклододекан относится к системам эвтектического типа, сплав эвтектического состава содержит 90 % масс. н-С₁₀Н₂₂; 10 % масс. С₁₂Н₂₄ и имеет температуру кристаллизации -32.9 °C. Каждому элементу диаграммы отвечают следующие фазовые реакции:

линия а₁е₁: L? С₁₂Н₂₄;

линия е₁b₁: L?н-С₁₀Н₂₂;

эвтектика е₁: L? С₁₂Н₂₄ +н-С₁₀Н₂₂.

Рис. 1. Фазовая диаграмма системы н-декан-циклододекан

Система н-октадекан-циклододекан. Фазовая диаграмма системы была построена по совокупности 7 составов.

Рис. 2. Фазовая диаграмма системы н-октадекан-циклододекан

Система н-октадекан-циклододекан относится к системам эвтектического типа, сплав эвтектического состава содержит 69.8 % масс. н-С18Н38; 30.2 % масс. С12Н24и плавиться при температуре 17.2 °C.

Каждому элементу диаграммы отвечают следующие фазовые реакции:

линия а₂е₂: L?С₁₂Н₂₄;

линия е₂b₂: L?н-С₁₈Н₂₈;

эвтектика е₂: L? С₁₂Н₂₄+н-С₁₈Н₃₈.

Рис. 3. Политермический разрез АВ в системе н-С10Н22 - н-С18Н38 - С12Н24

Рис. 4. Политермический разрез CD в системе н-С10Н22 - н-С18Н38 - С12Н24

Система н-декан - н-октадекан - циклододекан. Трёхкомпонентная система была исследована проекционным термографическим методом (ПТГМ). гелиевый фазовый сканирующий циклододекан

Входящая в состав трёхкомпонентной двухкомпонентная система н-декан - н-октадекан ранее была изучена авторами [6].

В соответствии с правилами ПТГМ для поиска направления на эвтектику был выбран политермический разрез АВ (рис. 5) в поле кристаллизации циклододекана.

Рис. 5. Фазовая диаграмма системын-С10Н22 - н-С18Н38 - С12Н24

Проекция политермического разреза АВ на сторону н-С₁₀Н₂₂ - н-С₁₈Н₃₈ представлена на рис. 3, из которой было определено направление на эвтектику (содержание н-декана и н-октадекана в сплаве эвтектического состава составляет 66 % масс. к 34 % масс.).

Исследованием политермического разреза CD (рис. 5), проходящего через найденное направление на эвтектику, были определены характеристики эвтектики в трёхкомпонентной системе н-декан - н-ктадекан - циклододекан. Сплав эвтектического состава содержит 84.5 % масс. н-С₁₀Н₂₂; 5.5 % масс. н-С₁₈Н₃₈; 10 % масс. С₁₂Н₂₄ и имеет температуру кристаллизации -34.9 °C.Фазовая диаграмма системы приведена на рис. 5.

Выводы

1. Система н-декан - циклододекан относится к системам эвтектического типа, сплав эвтектического состава содержит 90 % масс. н-С₁₀Н₂₂; 10 % масс. С₁₂Н₂₄ и имеет температуру кристаллизации -32.9 °C.

2. Система н-октадекан - циклододекан относится к системам эвтектического типа, эвтектика кристаллизуется при температуре 17.2 °C и содержит 69.8 % масс. н-С₁₈Н₃₈; 30.2 % масс. С₁₂Н₂₄.

3. Система н-декан-н-октадекан-циклододеканотносится к системам эвтектического типа, сплав эвтектического состава содержит 84.5 % масс. н-С₁₀Н₂₂; 5.5 % масс. н-С₁₈Н₃₈; 10 % масс. С₁₂Н₂₄ и имеет температуру кристаллизации -34.9 °C.

4. Сплавы, отвечающие эвтектическим составам в исследованных системах, могут быть использованы в качестве среднетемпературного теплоносителя в гелиоэнергетике.

Литература

1. Р. Рид Р, Дж. Праусниц, Т. Шервуд. Свойства газов и жидкостей. Справочное пособие. Л.: Химия. 1982. 592с.

2. Гаркушин И.К., Колядо А.В., Дорохина Е.В. Расчёт и исследование фазовых равновесий в двойных системах из органических веществ. Екатеринбург: УрО РАН. 2011. 191с.

3. Татевский М.В. Физико-химические свойства индивидуальных углеводородов. М.: ГОСТОПТЕХИЗДАТ. 1960. 412с.

4. Петров Е.П., Журавлев И. А. Исследования фазовых равновесий в системе н-тетрадекан - циклододекан. Международное Курнаковское совещание по физико-химическому анализу: сборник трудов в 2 томах. Т.2. Самара: Самар. гос. техн. ун-т. 2013. 332с.

5. Мощенский Ю.В. Дифференциальный сканирующий калориметр ДСК-500. Приборы и техника эксперимента. 2003. №6. С.143-144.

6. Гаркушин И.К., Люстрицкая Д.В., Агафонов И.А. Анализ, прогнозирование и экспериментальное исследование рядов двухкомпонентных систем с участием н-декана и н-ундекана: Монография. Екатеринбург: УрО РАН. 2008. 118с.

Аннотация

УДК 541.12.017

Фазовые равновесия в конденсированных системах с участием циклододекана и н-алканов. Гаркушин¹* Иван Кириллович, Колядо²⁺ Александр Владимирович, Петров³⁺ Евгений Петрович и Шамитов⁴⁺ Александр Анатольевич, Кафедра общей и неорганической химии. Самарский государственный технический университет. Ул. Молодогвардейская, 244. г. Самара, 443100. Самарская область. Самара. ¹⁾ Тел.: (846) 278-44-77. E-mail: ¹⁾ baschem@samgtu.ru; ²⁾ kolyado@rambler.ru; ³⁾ e.p.petrov@yandex.ru; ⁴⁾ sansher@mail.ru;

*Ведущий направление; ⁺Поддерживающий переписку

Методом низкотемпературного дифференциального термического анализа с использованием дифференциального сканирующего калориметра теплового потока исследованы системы н-декан-н-октадекан-циклододекан, н-декан-циклододекан, н-октадекан-циклододекан. Все исследованные системы относятся к эвтектическому типу. Сплавы эвтектического состава содержат 10.0 % масс. и 30.2 % масс. циклододекана и плавиться при температурах -32.9 и 17.2 єС соответственно. В системе н-декан-н-октадекан-циклододекансплав эвтектического состава содержит 84.5 % масс. н-С₁₀Н₂₂; 5.5 % масс. н-С₁₈Н₃₈; 10 % масс. С₁₂Н₂₄ и имеет температуру плавления -34.9 °C.

Ключевые слова: н-декан, н-октадекан, циклододекан, фазовые равновесия, ликвидус, эвтектика.

Размещено на Allbest.ru