CC BY
43
ГИДРОДИНАМИКА, ТЕПЛО-И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ, ЭНЕРГЕТИКА
УДК 536.632
Ф. Н. Шамсетдинов, И. Р. Габитов, С. А. Булаев,
Г. Х. Мухамедзянов, З. И. Зарипов
ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БИНАРНОЙ СМЕСИ
МОНОЭТИЛЕНГЛИКОЛЬ-ДИОКСИД УГЛЕРОДА
Ключевые слова: моноэтиленгликоль, диоксид углерода, бинарная смесь, коэффициент теплового расширения, высокие
давления.
В теплопроводящем калориметре Кальве измерены значения коэффициентов теплового расширения бинарной смеси моноэтиленгликоль-диоксидуглерода при температурах 298-363К и давлениях до 147МПа.
Keywords: monoethylene glycol, carbon dioxide, a binary mixture, the coefficient of thermal expansion, high pressure.
In the thermally conducting calorimeter Calve measured values of the coefficients of thermal expansion of a binary mixture of monoethylene glycol-carbon dioxide at temperatures of298-363K and pressures up to 147MPa.
Введение
Вопрос удаления кислотного газа стал все более и более актуальным при обработке природного газа, синтетического газа, производства аммиака и др. Моноэтиленгликоль и его водные растворы широко используется для удаления углекислого газа (С02) из потоков природного газа и других процессов переработки, в том числе и из продуктов сгорания. Моноэтиленгликоль хорошо растворяет органические кислоты, амины, амиды, аминоспирты, этилцеллозолы, бутилцеллозолы, скипидар и различные соли. В настоящее время в литературе отсутствуют сведения по коэффициентам теплового расширения (а Р), изотермического сжатия (рт), теплоемкости (Ср) в широком интервале параметров состояния данной смеси. Существующие теоретические и расчетные методы не дают удовлетворительных результатов. Эксперимент является единственным источником информации о коэффициенте теплового расширения и изотермического сжатия.
Данная работа является продолжением серии исследований теплофизических свойств
полиэтиленгликолей и их смесей [1-5] и посвящена изучению свойств бинарной смеси моноэтиленгликоль (МЭГ)-диоксид углерода (СО2). Анализ литературных данных показал, что теплофизические свойства этой системы (растворимость) изучены только при температурах от 273,15 до 373,15К [6]. Исходя из этого, были сформулированы задачи по изучению комплекса теплофизических свойств бинарной смеси МЭГ- СО2 в широкой области изменения параметров состояния.
Материалы и методы исследования
Исходные материалы, используемые в рамках настоящего исследования, имеют следующие характеристики: диоксид углерода с объемным
содержанием СО2 99.995 % (ГОСТ 8050-85,
сертификат качества №2052); моноэтиленгликоль с
содержанием основного компонента не менее
99.95 % вес.
Определение концентрации СО2 в МЭГ проводилось весовым способом. Взвешивание осуществлялось на аналитических весах модели ВЛА-200 и электронных весах «Мейег РМ 600».
Исследования коэффициента теплового
расширения аР выполнены на экспериментальной установке, реализующий метод теплопроводящего калориметра [6] с автоматическим сбором и
обработкой информации [7-9]. Термостатирование осуществлялось ультратермостатом и-10 с
точностью регулирования 0.02оС.
Экспериментальная часть
Для исследования термических свойств бинарной смеси МЭГ- СО2 в интервале температур от 298 К до 363 К и давлений от 0.098 до 147МПа использована базовая микрокалориметрическая
установка, конструкция основных узлов которой подробно описаны в [7,8]. Сущность метода измерения заключается в косвенном определении теплофизических свойств по значению теплового потока, который исходит от ячейки и действует на термоэлектрическую батарею, расположенную в микрокалориметрическом элементе. Тепловой поток создается за счет давления, приложенного к
исследуемой жидкости. Расчетная формула метода измерения и методика изложены в [7-10].
Для подтверждения достоверности
исследований ранее выполнены контрольные
измерения коэффициентов теплового расширения аР и изотермической сжимаемости /Т; изобарной теплоемкости Ср, температуропроводности а н-бутилового спирта, марки ХЧ (п0=1.3995, р25=809.5 кг/м3) в широком диапазоне изменения давлений и температур [9]. Расхождения в среднем не превышают ±2%, что лежит в пределах суммарной ошибки измерений. Доверительные границы общей погрешности измерения (Р=0.95), в соответствии с
рекомендациями [11], не превышают для изобарной теплоемкости и температуропроводности ± 2%,
коэффициентов теплового расширения и изотермической сжимаемости - ±1% и ±1.95% соответственно.
Результаты исследований и обсуждение
Результаты экспериментальных исследований термических свойств бинарной смеси МЭГ- СО2 в интервале температур Т=298К-363К и давлений Р= 14,5-147МПа и массовой концентрации СО2 в
моноэтиленгликоле равной 5,65% приведены на рис.1,
2. На рисунках 3, 4 приведены зависимости
коэффициентов теплового расширения аР от
температуры и давления с 16,5% концентрацией СО2.
Анализ полученных зависимостей коэффициентов теплового расширения аР от
параметров состояния существенно отличается от зависимостей аР =1ХР,Т) моноэтиленгликоля. В бинарной смеси МЭГ- СО2 на изобарах наблюдается аномальное изменение аР в интервале температур 298-323К (рис.3), связанное с наличием в моноэтиленгликоле диоксида углерода при сверхкритическом состоянии. С ростом температуры влияние СО2 на коэффициентов теплового расширения смеси ослабевает.
а ,1/К
Р,МПа
Рис. 1 - Зависимость коэффициента теплового расширения (аР , К-1) смеси МЭГ-СО2 (5,65% СО2) от давления Р, МПа: 1 - 298,15 К; 2 - 304,15 К; 3 -313,15 К; 4 - 323,15 К; 5 - 348,15 К; 6 - 363,15 К
т,к
Рис. 2 - Зависимость коэффициента теплового расширения (аР, К-1) смеси МЭГ-СО2 (5,65% СО2) от температуры Т, К: 1 - 24,5 МПа; 2 - 49 МПа; 3 -73,5 МПа; 4 - 98 МПа; 5 - 147,0 МПа
Производная коэффициента теплового расширения (дар/5Т)р смеси меняет знак на изобарах Р> 49МПа
после температуры Т=348К. Увеличение концентрации СО2 до 16.5% в растворе приводит к изменению характера зависимости аР от температуры и давления (рис.3,4). Максимум производной (ахр/дТ)р смещается в сторону более
низких температур (рис.4).
Р,МПа
Рис. 3 - Зависимость коэффициента теплового расширения (аР , 1/К-) смеси МЭГ-СО2 (16,5% СО2) от давления Р, МПа: 1 - 298,15 К; 2 - 304,15 К; 3 - 313,15 К; 4 - 323,15 К; 5 - 348,15 К; 6 - 363,15 К
Т,К
Рис. 4 - Зависимость коэффициента теплового расширения (аР , 1/К) смеси МЭГ-СО2 (16,5% СО2) от температуры Т, К: 1 - 24,5 МПа; 2 - 49 МПа; 3 - 98.5 МПа; 4 - 122.5 МПа
Работа выполнена в "Совместном научно-
образовательном центре подготовки специалистов в области теории критических явлений и
сверхкритических флюидных технологий" ФГБОУ ВПО "Казанский национальный исследовательский технологический университет» при финансовой поддержке: РФФИ, грант № 11-08-12090 -офи-м 2011. Госконтракт 40.12.
Литература
1. Зарипов З.И. Экпериментальное исследование
изобарной теплоемкости жидких органических
соединений с молекулярной массой до 4000 а.е.м. - В
кн.: Тепломассообмен и теплофизические свойства
веществ. Новосибирск. ИТФ СО АН СССР, 1982. С. 73-76.
2. Зарипов З.И. Экспериментальные исследования изобарной теплоемкости органических соединений при давлениях до 150 МПа / З.И. Зарипов, Г.Х. Мухамедзянов // Тепло- и массообмен в химической технологии: Межвуз. сб. Казань: КХТИ. - 1984. - С. 65-67.
3. Зарипов З. И. Изобарная теплоемкость и температуропроводность смесей полиэтиленгликолей при давлениях до 196 МПа. / З. И. Зарипов, С. А. Булаев, Г. Х. Мухамедзянов // Материалы Х Российской конференции по теплофизическим свойствам веществ. Изд-во: Учреждение - Редакция “ Бутлеровские сообщения”.-Казань. - 2002. - С.160-163.
4. Зарипов З. И. Теплофизические свойства смесей полиэтиленгликолей / З. И. Зарипов, С. А. Булаев, Г. Х. Мухамедзянов // Вестник Казанского технологического университета, 2003. - №2. - С.203-207.
5. Зарипов З. И. Теплофизические свойства водного раствора моноэтиленгликоля / З. И. Зарипов, С. А. Булаев, Г. Х. Мухамедзянов // Вестник Казанского Технологического Университета. - 2003. - №2. - С. 224-230
6. D.-Q. Zheng, W.-D.Ma,T.-M. Guo. Fluid Phase Equilib. 1999, V.115, P.143.
7. Зарипов З.И., Бурцев С.А., Гаврилов А.В., Мухамедзянов Г.Х. // ТВТ. 2004. Т.42. № 4. С. 313.
8. Зарипов З.И., Мухамедзянов Г.Х. Теплофизические свойства жидкостей и растворов: (монография). Казань.
: Изд-во Казан. гос. технол. ун-та, 2008.
9. Зарипов З.И., Бурцев С.А., Гаврилов А.В., Булаев С.А., Мухамедзянов Г.Х. Термические и калорические свойства н-бутилового спирта // Вестник Казан. технол. ун-та. 2002. №1-2. С.208-212.
10. Шамсетдинов Ф.Н., Булаев С.А., АхметзяновР.Р. // II
Всерос. конф. «Интенсификация тепло-и
массообменных процессов, промышленная
безопасность и экология», Казань, 2008. С.75.
11. ГОСТ 8.310-90. ГСИ. Государственная служба стандартных справочных данных. Основные положения. - М.: Изд-во стандартов, 1990 - 13 с.
© Ф. Н. Шамсетдинов - асс. каф. теоретических основ теплотехники КНИТУ, [email protected] И. Р. Габитов - студент КНИТУ; С. А. Булаев - канд. техн. наук, доц. каф. вакуумной техники электрофизических установок КНИТУ, Г. Х. Мухамедзянов - д-р техн. наук, проф. той же кафедры, З. И. Зарипов - д-р техн. наук, проф. каф. теоретических основ теплотехники КНИТУ.
