Исследование растворимости антрацена в сверхкритическом диоксиде углерода динамическим методом

ГИДРОДИНАМИКА, ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ,

ЭНЕРГЕТИКА

УДК533.1, 536.75

И. И. Гильмутдинов, И. В. Кузнецова, И. М. Гильмутдинов,

А. А. Мухамадиев, А. Н. Сабирзянов

ИССЛЕДОВАНИЕ РАСТВОРИМОСТИ АНТРАЦЕНА В СВЕРХКРИТИЧЕСКОМ ДИОКСИДЕ УГЛЕРОДА ДИНАМИЧЕСКИМ МЕТОДОМ

Ключевые слова: растворимость, антрацен, сверхкритический флюид.

Создана экспериментальная установка, позволяющая измерять растворимость твёрдых веществ и жидкостей в сверхкритических флюидах в широком диапазоне температуры и давления.

В настоящей работе получены экспериментальные результаты по растворимости антрацена на изотермах 318.1 К и 328.1К в интервале давлений 10-30 МПа. Относительная погрешность оценивается в 7,7 %.

Key words: solubility, anthracene, supercritical fluid.

An experimental setup to measure the solubility of solids and liquids in supercritical fluids in a wide range of temperatures and pressures. In this paper, experimental results on the solubility of anthracene in the isotherms of 318.1 K and 328.1K over the pressure range 10-30 MPa. The relative error is estimated at 7.7%.

Введение

В настоящее время особое внимание во всём мире уделяется развитию перспективных нанотехнологий. Наноразмерные объекты сложного состава открывают новые перспективы для различных отраслей экономики. Применение таких объектов позволяет добиться новых механических, физико-химических, биологических и др. потребительских свойств получаемой продукции. Классические процессы производства наночастиц не всегда позволяют получать частицы с заданным составом, особенно в том случае, когда компоненты относятся к разному классу веществ. Процессы получения субмикронных и наночастиц сверхкритическими флюидными методами позволяют получать частицы, состоящие из двух и более компонентов. Изменяя термодинамические параметры процесса, а также геометрию расширительного устройства можно управлять не только размером и дисперсностью частиц, но также и составом [1].

Для применения СКФ процессов получения частиц сложного состава необходимо знать растворимость веществ в сверхкритическом флюиде.

Описание установки

Опыты по измерению растворимости были проведены на установке, изображённой на рис.1, которая включает в себя: насос высокого давления, теплообменник охлаждения CO2, расходомер марки Siemens MASS 6000 (Германия), воздушный термостат, экстракционную ячейку, дроссельный вентиль и систему защиты и контроля. Установка обладает следующими техническими характеристиками: рабочее давление 6-40 МПа, номинальный массовый расход сверхкритического растворителя 0,00083 кг/с, рабочая температура от 20 0С до 300 0C.

На рис. 2 изображен чертёж ячейки, в которой происходит растворение исследуемого вещества в сверхкритическом диоксиде углерода. Ячейка изготовлена из нержавеющей стали. Объём ячейки составляет Уэкс=0,598*10-5 м3. Максимальное рабочее давление в ячейке равно 45 МПа. Максимальная рабочая температура равна 400 0С.

Рис. 1 - Принципиальная схема установки: 1 - баллон с СО2, 2 фильтр-осушитель, 3 -теплообменник охлаждения, 4 - росходомер, 5 - насос высокого давления, 6 - термостат, 7 - электронагреватель, 8 - вентиль, 9 - переходник тройной, 10 - воздушный термостат, 11 - экстракционная ячейка, 12 - блок управления температурой и давлением, 13 -нагреватель, 14 - переходник четверной, 15 - манометр, 16 - дроссельный вентиль

Рис. 2 - Чертёж экстракционной ячейки

Экспериментальная часть

Перед началом эксперимента производится загрузка исследуемого вещества в экстрактор (11), после чего взвешивается его масса. Далее включается термостат (6), который требуется для охлаждения головок насоса (5) и теплообменника (3). Процесс термостатирования продолжается до тех пор, пока температура охлаждающей жидкости не достигнет значения -5 0С.

Температура экстрактора задаётся и поддерживается с помощью блока управления (12). Далее открывается вентиль баллона (1) откуда диоксид углерода с первоначальным давлением 5-6 МПа попадает в охлаждающий теплообменник (3) через фильтр осушитель (2). После перехода в жидкую фазу С02 через расходомер (4) поступает в насос (5), где сжимается до заданного давления, после чего диоксид углерода поступает в экстрактор (11), который находится внутри воздушного термостата (10). Вследствие нагрева СО2 переходит в сверхкритическое состояние и начинает растворять исследуемое вещество. Вентиль (8) находится в открытом положении, а дроссель-вентиль (16) открывается таким образом, что бы расход СО2 был равен 0,000016 кг/мин. Эксперимент продолжается до тех пор, пока через экстрактор не пройдёт объём газа равный пяти объёмам экстрактора УС02=2,99*10-5 м3. После окончания эксперимента экстрактор дегазируется в атмосферных условиях в течение 20 часов. И после этого опять взвешивается. Разница массы экстрактора до эксперимента и после показывает, сколько вещества растворилось в сверхкритическом диоксиде углерода.

В настоящей работе в качестве исследуемого вещества использовался антрацен (С14Н10) с молярной массой 178,23 г/моль и чистотой 98% фирмы ЛСКОБ ОКОЛМСБ. В качестве растворителя использован диоксид углерода с чистотой 99% (ГОСТ 8050-85).

Оценка погрешности результатов измерений

Анализ погрешности результатов измерений проводится в соответствии с методикой, изложенной в работе [2].

Проведём оценку погрешности измерения растворимости антрацена в сверхкритическом диоксиде углерода при следующих параметрах: Т=328.1 К, Р=25 МПа.

Растворимость у2 определяется по формуле:

Уа = 0)

где -Шд. - масса антрацена, растворившегося в СК диоксиде углерода, 'Ищ - масса диоксида углерода, прошедшего через ячейку, МА - молярная масса антрацена, - молярная масса

диоксида углерода.

Оценим погрешность й&, вносимую ошибками измерения тед' и тЛ:

или

>1м, ха

'Аж,

Т-

измерялся с помощью расходомера с погрешностью ±0.01г, тогда ц0.02. тд

определяется как разность массы ячейки с веществом до начала эксперимента и после его окончании. Взвешивание производится на аналитических весах с погрешностью ±0.001 г. В итоге получаем Лт^=±0.002 г.

В нашем случае = ЗФ г, тд=0.013 г. Тогда

А& = {0(,2 +. Ш02 = мвоз:>ивг5

Ошибки определения давления и температуры будут вносить следующую погрешность в результат измерения растворимости:

=(%)т 'лр+Ш, 'лт- <4>

Давление измеряется образцовым манометром с пределом измерений 0 - 40 МПа и классом точности 0.15. Абсолютная погрешность измерения составляет АР = ЕНШ15  40 = МПа; * 1.38'10'4

Температура измеряется хромель-копелевой термопарой с погрешностью ЛГ=±0.05 К; ^3^ ^ 8.36-10'6

Тогда получим

А2у= 1^В1£Г*[иаб+ Э36 = В-ЗЗИГ

Общая абсолютная погрешность определения растворимости антрацена в

сверхкритическом диоксиде углерода составляет

Лу2 = А0 + Л& = &аЕШ35бЮГ&4 3-23-10-& =0.0823-10-4

Относительная погрешность $у = ^-= ЮИб = 7.7ЧЬ

Результат запишется в виде

у2 = (иО£2±а1ИЗЗ)1ЕГ4

Результаты эксперимента

В этой работе эксперименты проводились на двух изотермах. В опытах наблюдалось изменение растворимости в зависимости от давления.

На рис.2 и рис.3 показаны полученные экспериментальные данные.

Рис. 2 - Зависимость растворимости антрацена в СК СО2 от давления на изотерме 318,1К

Рис. 3 - Зависимость растворимости антрацена в СК СО2 от давления на изотерме 328,1К

Как видно из результатов растворимость при постоянной температуре с увеличением давления увеличивается. Полученные данные хорошо согласуются с литературными данными [2]. Погрешность оценивается в 7,7%.

Выводы и заключения

Создана установка для измерения растворимости твёрдых веществ и жидкостей динамическим методом в СК растворителях. Измерена растворимость антрацена в СК СО2. Из полученных данных видно, что при постоянной температуре с увеличением давления растворимость увеличивается. Произведена оценка погрешности эксперимента, она составляет 7,7 %.

Работа выполнена в рамках государственного контракта №16.552.11.7012 от 21 апреля 2011 г.

Литература

1. Кузнецова, И.В. Диспергирование фармацевтических препаратов, полимерных материалов с использованием сверхкритических флюидных сред / И.В. Кузнецова, И.М. Гильмутдинов, А.Н. Сабирзянов и др.// Вестник КГТУ.-2010.-№2.-С.321-328

2. Новицкий, П.В. Оценка погрешностей результатов измерений / П.В. Новицкий, И.А. Зограв. - Л.: Энергоатомиздат, 1985. - 248 с.

3. Qunsheng, Li. Solubility of solid solutes in supercritical carbon dioxide with and without cosolvents / Li Qunsheng, Zhang Zeting, Zhong Chongli, Liu Yancheng, Zhou Qingrong // Departament of Chemical Engineering, Beijing University of Chemical Technology, P.O. Box 100, Beijing 100029, China.-accepted 14 January 2003

© И. И. Гильмутдинов - асп. каф. теоретических основ теплотехники КНИТУ, ilnur1988@inbox.ru; И. В. Кузнецова - асп. той же кафедры, Irina301086@rambler.ru; И. М. Гильмутдинов - программист 2 категории, соиск. КНИТУ, gilmutdinov@kstu.ru; А. А. Мухамадиев - канд. техн. наук, доц. каф. теоретических основ теплотехники КНИТУ, muhamadiev@kstu.ru; А. Н. Сабирзянов - д-р техн. наук, проф. той же кафедры, sabirz@kstu.ru.