Теплофизические свойства органических соединений и их растворов в широком интервале параметров состояния Шахвердиев, Астан Нушраван оглы

Введение к работе

'"'" " '"*

Актуальность проблвш

Бурное развитие химической, нефтехимической, энергетической и др.промызленностей тесно связано с созданием высокопроизводительных технологий и теллотехнологических процессов и економки сырьевых и энергетических ресурсов.

Эти обстоятельства требуют нового подхода к аппаратному обеспечению технологических процессов и создания высокозкономич-ных тешю-энергоиспользувдих установок.

Расчет,разработка и выбор оптимального гидю-тврмодинамичео-ких реимов теплоиспользуюсдос установок, слоеных химико-технологических процессов во многом зависит от наличия достоверной информации о теплофизических свойствах веществ (ТФС) в различных агрегатных состояниях. Высокоточные данные по ТФС необходимо так-se для поднятия уровня исследований различных тэпломассообмэнных процессов, достаточно точного автоматического фиксирования изменения основных технологических параметров, а при необходимости введэния программирования исследуемого процесса. Кроме прикладной значимости, исследование TS0 способствует созданию количественной теорш газов и жидкостей, выявлению механизма переноса энергии, импульса и массы в вецествах. КС являются одним из основных источников сведений о мезмолокулярннх силах, знание которых необходимо для решения широкого круга задач физики, химии и биологии.

В связи с этим возникает необходимость систематического експериментального и теоретического исследования теплофизических свойств новых классов веиеств, сбор, критический анализ, обработка и оценка количественных данных с последующей систематизацией в справочниках и банках данных.

В нашей страна созданы и функционируют несколько теплофизических научных центров с целью создания справочников, справочных пособий и банков данных ТвО технически важных газов и гидкоотей, благодаря чему вашгайшие свойства и их численные значения в виде таблиц и аналитических формул становятся доступными для широкого круга ученых и инженеров, работающих в различных отраслях промышленности и областях науки и техники.

Пробел в проблеме теоретически обоснованных и експериментально подтверзденных методов расчета основных TSC к настоящему моменту восполняется высокоточными экспериментальными методами.

-4-Экопериментальная база для исследования ТФС постоянно совершенствуется за счет новых методов и методик, а такке оснащения новини средствами технических измерений. В связи с появлением все новых классов веществ должны улучшаться уровень и техника экспериментальных работ. Наряду с вкопериментами, параллельно развиваются эмпирические и полувмпирические методы аналитического описания полученных результатов по ТФО. С учетом сказанного, настоящая диссертационная работа посвящена актуальной задаче - експериментальному и расчетно-теоретическому исследованию ТФО алифатических спиртов, их изомеров и взаимных растворов, а такие некоторых высших углеводородов в широком интервале параметров состояния.

В перспективном плане развития химической и нефтехимической промншленностей значительное место отводится производству алифатических спиртов.

* Спирты нормального и изостроенил, а такие их растворы нашли широкое применение в химической, нефтехимической, энергетической, холодильной, пищевой и медицинской промышленностях в качестве растворителей, пластификаторов, экологически чистых тепло- и хла-доносителей, топлива двигателей внутреннего сгорания, синтетических смол, флотореагентов, 8кстрагентов, депрессоров испарения воды, компонентов охлаждающих жидкостей, смазок, поверхностно-активных и моющих веществ, средств защиты растений, присадок к топ-ливаы; и т.д.

Нафтеновые и ароматические углеводороды является доступным и качественным исходным материалом, широко применяющимся в производство синтетических волокон, смол, пластмасс, ядохимикатов, взрывчатых веществ, а таете высших сортов автомобильного и реактивного топлива.

Большинство товарных спиртов от н. бутилового до н.дацюю-вого представляют собой не индивидуальные соединения, а растворы, содержащие иногда на более 60-70 % основного компонента. Применение растворов, а не индивидуальных спиртов, часто не ухудшает свойств конечных шоготонкаишх продуктов их переработки. Зачастую его бывает оправдано и экономически, так как такое сырье дешевле, а методы очистки и разделения конечных продуктов менее слонны. Кроме этого, в зависимости от характера промышленности, моашо регулировать TffiC жидких к парообразных оред, прибегая к добавкам в них определенной доли других веществ. Изменение тепло-

физических свойств растворов н.спиртов может быть реализовано втим путем, ибо исследование ТФС растворов в зависимости от концентрации их компонентов показывает, что в определенных пределах существует целый ряд непрерывно меняющихся значений ТФС подобных веществ в зависимости от их состава. Сказанное облегчает выбор объекта с заранее заданными значениями ТФС.

Известно, что алифатические спирты нормального и изостроения являются сильными полярными веществами и образуют ассоциированные комплексы на базе водородных связей в виде полимерных цепочек различной длины. Качественное и количественное содержание втих комплексов во многом зависит от давления и температуры и оказывает существенное влияние на поведение теплофизических свойств.

Вышеперечисленные области применения алифатических спиртов, их растворов, нафтеновых и арозлтических углеводородов позволяют выделить их важность во многих отраслях народного хозяйства.

Поетому всестороннее исследование их теплофизических свойств является актуальным. Полученные результаты этих исследований необходимы для решения многих практических и теоретических задач.

Настоящая работа выполнена в соответствии с планом рабочей группы по теплофизическим свойствам газов и жидкостей Советской комисии Международного союза по теоретической и прикладной химии (JUPAC), по координационному плану научно-исслвдовательоких работ по комплексной проблеме разработки достоверных данных и созданию массива стандартных справочных данных о ТФО технически ваяных газов и яидкостей, выполняемых ВУЗами СССР в 1981-1985, 1986- 1990 г.г.( шифр 1.1.2), координационному плану научно-исследовательских работ по комплексной проблеме «Теплофизика и теплоэнергетика'* (шифр 1.9.1.(5)) и по координационному плану АН Аз.Республики (шифр 1.9.9.7).

Цель работы

1. Проведение критического анализа существующих експериментальних и расчетных данных исследуемых объектов.

2. Создание соответствующих экспериментальных условий ( методики, аппаратуры) для исследования плотности, Р_в-Т_в зависимости, вязкости и теплопроводности яидких и парообразных оред, включая критическую и сверхкритическую облаоти.

3. Экспериментально исследовать Р-р-Т и Р_в-Т_в- данные

н.спиртов от н.бутилового (0₄) до додецилового (0₁₂) спиртов о

-6-Ч8ТШШ числом атомов углерода в молекуле и их взаимных двойных и тройных растворов в интервале температур от комнатной до 600 К и давлений от атмосферного до 60 мПа.

4. Экспершентально исследовать вязкость спиртов от 0₄ до С_1г и их двойных и тройных растворов в широком интервале температур и давления.

б. Экспериментально исследовать молекулярную теплопроводность некоторых нафтеновых и ароматических углеводородов (циклогексан, гептан, толуол и бензол), а такеє эффективную теплопроводность котил- и вгилцкклогексака, м.- п.- и о.-ксилолов в широком диапазоне температур и давлений.

6. На базе експериментальних данных получить расчетные формулы, описнващие полученные результаты с погрешностью, не прэш-ващей ошибки опытных данных.

7. Построить обобщенные аналитические формулы исследованных свойств индивидуальных веществ и растворов, учитшзаизив барическую, термическую и концентрационную зависимости.

8. На основа экспериментальных данных и составленных уравнений разработать подробные таблицы для практического использования.

Научная новязна

1. Разработан и защитен авторским свидетельством вискозиметр
о постоянным перепадом давления для измерения вязкости газов и

ЕИДКОСТеЯ.

2. Разработана и защищена авторским свидетельством конструкция вискозиметра для измерения вязкости Еидкостей.

3. Выведаны к теоретически обосковшш формулы для расчета 5еішзратурного поля в кольцевом слое бккалоримотра и трикалори-иетра при пероменных теплофизических свойствах видкостея и газов и темпе охлаждения (нагревания).

4. Получены поправочные формулы для вычисления коэффициента теплопроводности и изобарной теплоемкости Еидкостей и газов по ыетоду регулярного региш первого рода.

6. Выведены расчетные уравнения, учиткващие влияние инар-ционних сил, возникаэдих от двиЕения,нестацконарюсти течения газа и Еидкостей в капилляре, упругости веществ на вязкость в широкой окрестности критической точки, формы измерительного баллончика вискозиметра.

6. а) Получен большой массив взаимосогласованных прецизионных
экспериментальных данных по плотности н.бутилового, н.гвксилового,
и.октилового, н.децилового, н.ундецилового и н.додецилового спир
тов и их двойных и тройных растворов в интервале от комнатной
температуры до температуры разлогения и давлении от атмосферного
до 60 МПа; впервые подробно исследована плотность н.бутилового и
н.гвксилового спиртов и юс бинарных растворов в критической и в
двухфазной областях, впервые измерены Р-р-Т-дднные для указанных
систем в паровой области.

б) Получены экспериментальные данные та вязкости н.спиртов
от н.бутилового до н.додецилового спиртов и их двойных и тройных
растворов в интервале температур 290-600 К и давлений 0,1-60 ЫПа.
Вязкость н.бутилового и изобутилового спиртов при отрицательных
температурах и высоких давлениях, н.ундецилового и н.додецилового
спиртов, бинарных и тройных растворов во всем интервале параметров
состояния измерена впервые.

в) Впервые получены данные по теплопроводности трех наф
теновых углеводородов в паровом и еидком состояниях и некоторых
ароматических углеводородов при отрицательных температурах и раз
личных давлениях.

7. Выделены значения второго и третьего вириальных коэффициентов метилового, н.пропилового,н.бутилового, н.гвксилового спиртов и двойных растворов н.бутиловый+н.гоксиловый спирту. Причем, кроме метилового и н.пропилового спиртов они получена впервые.

8. Составлены новые уравнения для исследованных слотам по описанию полученных результатов в виде индивидуальных и обобщающих формул.

9. Предлонаны новые уравнения для установления связи плотности и вязкости двойных и тройных растворов В ЕИДКОЫ состоянии.

Практическая ценность

1. Разработанные конструкции вискозиметров ыогут быть использованы при измерениях динамической вяэкооти газов и нидкоо-тей, особенно в критической области.

2. Использование в исследованиях ТФС выведенных поправочных уравнений существенно повысит точность экспериментальных данных.

3. Разработанные индивидуальные.и обобщающие уравнения,

-&-

описывающие весь массив экспериментального материала по плотности, вязкости и теплопроводности с погрешностью, не превшпавдей погрешности опытных данных, могут быть использованы для разработки и аттестации нормативно-справочных данных о Тї>0 важнейших веществ и материалов.

4. Полученные экспериментальные данные и методики расчета ТСС индивидуальных веществ, двойных и тройных растворов необходимы при разработка и создании новой техники, эффективных технологических линий, в создании новых материалов и веществ в машиностроении, химической, нефтехимической промнвленности, медицине и при решении проблем охраны окрукащей природной среды.

б. Полученные экспериментальные данные по вязкости спиртов от н.октилового до н.додецилового аттестованы в качестве таблиц Р0Д( свидетельство ГСССД Р39Э-91) во ВЯИЦ MB Госстандарта СССР.

6. Экспериментальные данные по теплопроводности циклогексане» метил- и етилциклогексана включены в „Справочник по теплопро-гэдности аидвостей и газов", 1ЭЭО г., Москва, изд.Энергоатомиздат (авторы Варгафтик Н.Б. и др.).

7. Экспериментальные данные по плотности ,Р -Т зависимости к динамической вязкости исследуемых к.спиртов и их двойных и тройных растворов внедрены в ккформацкошшй комплекс Автоматизированной единой системы теплофизкческого абонирования АВЕСТА (г.Киез) и использованы при моделировании технологических процессов химических и нефтехимических производств.

Результаты исследования вязкости спиртов от метилового до Н.ДОДЄЦКЛОБОГО, включая изомеры, опубликованы в обзора: Вязкость алифатических спиртов / я.Ы.Еазиев, А.Е.Шахвврдиев, Т.Ш.Абдуллаев. М.: ИВТАН.- 199i.-j&l(B7).- 84 с.

Апробация работы. Отдельные научные полонення и результаты диссертационной работы были дологэнн на VII и VIII Всесоюзной конференции по теплофизическим свойствам веществ (г.Ташкент, 19S2

И Г.ЕОВОСИбирВК, 1938), X И П ВсеСОЮЗНОЙ ТеПЛОфИЗЙЧОСКОЙ ЕКОЛО-

оеминаре по „Современным проблешм теплофизики". Теплофизика релак-сирующих систем (гЛамбов, 1S88 и 1990 ), Мэздунарэдшй теплофкзи-ческой школе Теплофизическио проблемы промышленного производства" (г.Тамбов, 19Э2), Всесоюзной научно-технической конферонции „Холод-народному хозяйотву" (г.Санкт-Петербург, 1991), Seventeenth International Conference on Tneraal Conductivity (USA, Boulder,

-9-Colorado, 1981), X1 International Slmposlim oi thermophyelcal properties (USA, Boulder, Colorado, 1991 ), I International Synpoalua energy, environment, econony, Baku, 1991), VII Всесоюзной школе молодых учеши и специалистов «Современные проблемы теплофизики" (г.Новосибирск, 1992 ), Республиканской научно-технической конференции (г.Душанбе, 1991 ), IX теплофизической конференции СНГ (Махачкала, 1992 ), Международной теплофизической школе (Тамбов,1992).

По теме диссертации автором опубликовано 75 печатных работ в отечественной и зарубекной научной литературе. Отдельные результаты диссертационной работы приведены в диссертациях четырех аспирантов, выполненных под руководством автора.

Структура и объбц работы

Диссертация состоит из введения, трех частой, заключения, списка литературы из 384 наименований и прилоаений. Работа изложена та 478 страницах машинописного текста, включает 71 рисунок, 37 таблиц. Приложения содержат таблицы зкспэрименталышх данных по Р-р-Т, Р -Т_в зависимости, вязкости и теплопроводности та 96 страницах и документы, подтверждающие внедрение полученных результатов.