Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературных данных 12
1.1. Краткий обзор развития науки о масличных семенах и растительных маслах 12
1.2. Обзор литературных данных по методу измерения термических коэффициентов и плотности жидкостей . 17
ГЛАВА 2. Описание экспериментальных установок и методика измерения плотности жидкостей 29
2.1. Экспериментальная установка для измерения плотности растворов при атмосферном давлении 30
2.2. Описание установки для определения плотности жидкостей по методу гидростатического взвешивания 30
2.2.1. Пьезометрический сосуд 32
2.2.2. Подвесная система 34
2.2.3. Подготовка к опытам и методика проведения экспериментов 35
2.3. Расчетная формула для определения плотности из данных опытов 36
2.4. Оценка погрешности измерения плотности растворов.. 38
ГЛАВА 3. Плотность исследуемых растворов в зависимости от температуры, давления и обобщение полученных результатов 46
3.1. Основные характеристики исследуемых объектов. Тех
нология производства масел 46
3.2. Плотность растворов в зависимости от температуры при атмосферном давлении. Обработка и обобщение экспериментальных данных 56
3.3. Плотность сафлорового масла в зависимости от концентрации растворителя, температуры и давления 63
3.4. Обобщение экспериментальных данных по плотности исследуемых растворов в зависимости от температуры и давления 75
Заключение к третьей главе 81
ГЛАВА 4. Обобщенные уравнения состояния и расчет термодинамических свойств растворов сафлорового масла 83
4.1. Обобщенные уравнения состояния 83
4.2. Применение уравнения Тейта для расчета плотности исследуемых растворов 97
4.3. Термические свойства растворов при атмосферном давлении 107
4.4. Термодинамические свойства растворов при высоких температурах и давлениях 111
Заключение к четвертой главе 115
Основные результаты и выводы 116
Литература
- Обзор литературных данных по методу измерения термических коэффициентов и плотности жидкостей
- Описание установки для определения плотности жидкостей по методу гидростатического взвешивания
- Плотность растворов в зависимости от температуры при атмосферном давлении. Обработка и обобщение экспериментальных данных
- Применение уравнения Тейта для расчета плотности исследуемых растворов
Введение к работе
Решение задач, связанных с проблемой производства высококачественных растительных масел и других ценных продуктов переработки масличного сырья, зависит от дальнейшего развития комплекса технологических процессов.
В последние годы успешно развиваются исследования по термодинамике растительного масличного сырья. В результате работ многих исследователей, и в первую очередь советских ученых, получены новые сведения о процессах формирования технологических свойств масличного сырья, выявлены основные закономерности процессов, происходящих в жизненном цикле семян, а также определены условия, при которых возможно длительное хранение семян.
Для совершенствования и оптимизации технологических процессов необходимы научно-обоснованные инженерные расчеты, которые нуждаются в информации о термодинамических свойствах рабочего материала в широкой области параметров состояния.
Рациональное использование достижений науки на практике требует знаний свойств различных материалов и продуктов, которые подвергаются хранению, технологической обработке и их использованию. Среди них важное место занимают термодинамические свойства и их количественные характеристики, так как тепловая обработка широко применяется в народном хозяйстве, в частности в пищевой промышленности. Развитие, совершенствование и интенсификация процессов тепловой обработки базируются на основных принципах современной технологии: от знания и анализа термодинамических характеристик продуктов как объектов обработки - к выбору методов и оптимальных режимов процесса и на этой основе - к созданию рациональной конструкции аппаратов.
Сырье, материалы и продукты пищевой промышленности представляют собой сложные объекты обработки. Это обычно гетерогенные системы - твердые тела разнообразной структуры и жидкие растворы различной концентра-
ции, в которых могут находиться и газовые включения.
Определение и оценку значений термодинамических характеристик материалов следует увязывать с другими свойствами и характеристиками, а также с методами их обработки в различных технологических процессах, т.е. определять реальные эффективные характеристики материалов.
Таким образом, при выборе метода определения термодинамических характеристик продуктов следует учитывать реальные условия проведения соответствующих технологических процессов. Например, если продукт в среде, в которой он находится, нагревается одновременно при постоянной скорости нагрева, то целесообразно применять квазистационарный метод А.В.Лыкова. Если продукт погружен в кипящую воду (коэффициент внешнего теплообмена А,—юо), можно рекомендовать метод регулярного теплового режима первого рода Г.М.Кондратьева.
При экстракции масличных семян (хлопкового, подсолнечного, сафлорового и др.) широко используются растворители (п-гексан, экстракционный бензин и диэтиловый эфир), которые можно разделить на два типа: технически чистые (бензин экстракционный), применяемый индивидуально, и смеси органических растворителей (масло+экстракционный бензин, диэтиловый эфир+п-гексан).
Первый тип растворителей, наиболее распространенный в современной практике, может быть разделен на следующие основные группы: алифатические углеводороды, хлоропроизводные алифатические углеводороды, ароматические углеводороды и алифатические кетоны.
Второй тип растворителей можно условно разбить на две группы: смеси органических растворителей различной химической природы друг с другом и смеси органических растворителей с водой.
В качестве приближенной характеристики способности масел и растворителей смешиваться друг с другом обычно принимаются их диэлектрические постоянные. Чем ближе численные значения этих констант у масел и растворителей, тем лучше они смешиваются. Так, растительные масла в любых отноше-
ниях смешиваются со всеми растворителями из группы алифатических углеводородов (экстракционные бензины, технический гексан, п-гексан, n-гептан и диэтиловый эфир), с бензолом, хлорпроизводными алифатических углеводородов (дихлорэтан, трихлорэтилен, четыреххлористый углерод). Ацетон (безводный) занимает в этом ряду крайнее положение. В спиртах на холоде масла растворяются ограниченно и лишь при нагревании растворимость повышается до полного смешения. Особенно это относится к водным спиртам, что представляет наибольший практический интерес.
Растворимость основных растительных масел в водном этаноле различной концентрации в зависимости от температуры указана в работе [1]. При добавлении в этанол и ацетон больших количеств воды растворимость в них масел сильно снижается, что используется в схемах двухступенчатой экстракции хлопковых семян [2,3].
Обработка масла в слое является необходимым этапом процесса окончательной дистилляции мисцеллы. Даже высокоинтенсивный процесс дистилляции распылением не обеспечивает получения стандартного по температуре вспышки масла [4]. По-видимому, значительное повышение температуры масла и большой расход острого пара могут обеспечить получение стандартного по температуре вспышки масла при растительной и пленочной дистилляции. По крайней мере, вполне достижимы такие результаты при дистилляции мисцеллы в стекающей пленке на камеральном аппарате типа окончательного дистиллятора ДС-70 в следующих условиях: мисцелла сафлорового масла - легкокипящий экстракционный бензин, п-гексан и диэтиловый эфир обрабатывалась под вакуумом 600-650 мм. рт. ст., температура отходящего масла около 150С.
Актуальность работы
Основные трудности остаются из-за чрезвычайно сильного увеличения температуры кипения мисцеллы при больших концентрациях. Вместе с тем отказ от окончательной дистилляции в слое необходим для дальнейшего снижения продолжительности процессов дистилляции, что должно привести к улуч-
шению качества масла.
Поэтому представляет интерес исследование термодинамических характеристик раствора сафлоровое масло+органические растворители в широких пределах температур и давлений.
Сведения о термодинамических свойствах таких систем весьма важны для познания и развития физики жидкого состояния веществ. Они необходимы для выяснения механизма межмолекулярных взаимодействий и моделей структуры растворов.
Одним из важных термодинамических свойств растворов является плотность, которая необходима для калорического расчета тепло-массообменных процессов и входящая в критериальные уравнения отражающие особенности термодинамической поверхности. Как видно из вышеизложенного, плотность исследуемых растворов имеет большое практическое значение. Однако, современное состояние исследования термодинамических свойств в системе сафлорового масла+органические растворители нельзя считать удовлетворительным.
Для совершенствования, оптимизации и модернизации технологических процессов необходимы научно-обоснованные инженерные расчеты, которые нуждаются в информации о термодинамических свойствах рабочего материала в широкой области параметров состояния.
Диссертационная работа посвящена исследованию термодинамических свойств растворов системы сафлорового масла - экстракционный бензин, п-гек-сан и диэтиловый эфир (25; 50; 75 % массовая) в интервале температур 293-473 К и давлений 0,101-49,1 МПа.
Полученные экспериментальные данные используются для расчета тепло-и массообмена различных технологических процессов.
Целью работы является исследование термодинамических свойств растворов сафлорового масла.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
усоврешенствование экспериментальной установки и разработка методики для одновременного измерения коэффициентов теплового расширения (хр и изотермической сжимаемости жидкостей |3Т в зависимости от температуры при атмосферном давлении;
экспериментальное исследование коэффициентов теплового расширения (хр, изотермической сжимаемости (Зт сафлорового масла и их растворов в зависимости от температуры при атмосферном давлении;
получение экспериментальных значений плотности системы сафлорового масла и растворителя в интервале температур 293-473 К и давлений 0,101-49,1 МПа;
установление закономерностей изменения термических коэффициентов и плотности сафлорового масла от концентрации растворителя;
обобщение результатов измерений ap=f(P,T) и (3T=f(P,T) с цельро получения уравнений для расчета термических коэффициентов;
получение аппроксимационной зависимости, устанавливающей взаимосвязь плотности с температурой и давлением;
выбор и разработка метода расчета термодинамических свойств растворов.
Научная новизна\
- впервые в практике экспериментальных исследовайий применен
микрокалориметрический метод для одновременного измерения ко
эффициента теплового расширения ар и изотермического коэффици
ента сжимаемости |3Т в зависимости от температуры при атмосфер
ном давлении;
- установлены общие закономерности изменения термодинамических свойств растворов сафлорового масла от температуры, давления, концентрации и молекулярной массы растворителя;
получены экспериментальные данные термических коэффициентов и плотности системы растворов (сафлоровое масло+экстракцион-ный бензин, n-гексан и диэтиловый эфир: 25; 50; 75% массовая) в интервале температур 293-473 К и давлений 0,101-49,1 МПа;
получены уравнения состояния для расчета и прогнозирования термических коэффициентов исследуемых растворов.
Практическая ценность:
составлены подробные таблицы термодинамических характеристик растворов сафлоровое масло+экстракционный бензин, n-гек-сан и диэтиловый эфир (25; 50; 75 % массовая) в интервале температур 293-473 К и давлений 0,101-49,1 МПа, которые могут быть использованы проектными организациями в различных технологических процессах;
получены аппроксимационные зависимости и уравнения состояния по плотности исследуемых растворов для инженерных расчетов в производстве растительных масел;
разработана установка для измерения термических свойств и плотности которая используется в научной и учебной лаборатории кафедры «Технологии и оборудования пищевых производств» Технологического университета Таджикистана.
Достоверность полученных результатов обеспечивается:
проведением контрольных измерений в экспериментальных установках по термическим свойствам и плотности;
многократным дублированием эксперимента;
сопоставлением полученных опытных данных с результатами измерения других авторов.
Автор защищает:
- усовершенствованную экспериментальную установку для исследо
вания термических коэффициентов ар и |3Т;
методику одновременного измерения термических коэффициентов;
- экспериментальные данные по коэффициентам теплового расшире
ния и изотермической сжимаемости и плотности растворов сафло
рового масла при различных температурах и давлениях;
обобщенные уравнения состояния для расчета и прогнозирования
термодинамических свойств.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения,
списка использованной литературы, приложения. Работа содержит страниц
компьютерного текста, в том числе 32 рисунка и 38 таблиц. Список использованной литературы включает 197 наименований.
Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, раскрывается научная новизна выполненной работы.
В первой главе приводится обзор наиболее распространенных методов
определения коэффициентов изотермической сжимаемости Дг=—(—)т и теп-
р 8?
лового расширения ар = —(—)Р .
р дТ
Рассмотрены экспериментальные методы определения удельных объемов и плотностей исследуемых растворов на основе прямых измерений с применением пьезометров постоянного и переменного объема, гидростатического взвешивания, позволяющие рассчитывать производные объема по давлению и температуре, входящие в выражения термических коэффициентов.
Также приводится краткий обзор развития науки о масличных семенах и растительных маслах.
Во второй главе приводится описание экспериментальной установки и методики исследования для одновременного измерения коэффициентов теп-
лового расширения ар и изотермической сжимаемости (Зт в ходе одного эксперимента в зависимости от температуры при атмосферном давлении и метод гидростатического взвешивания.
В третьей главе представлены результаты экспериментального исследования коэффициентов теплового расширения изотермической сжимаемости и плотности исследуемых растворов в широкой области параметров состояния, обработке и обобщению экспериментальных данных по плотности исследуемых объектов.
В четвертой главе рассмотрены соотношения для определения коэффициентов теплового расширения, изотермической сжимаемости, полученные на основе различных уравнений состояния, а также эмпирические и полуэмпирические зависимости. На основе экспериментальных данных по плотности исследуемых растворов получены уравнения состояния и эмпирические уравнения. Используя уравнения состояния рассчитаны термодинамические характеристики исследуемых объектов.
В приложении приведены подробные таблицы сравнения, вычисленные по предложенным автором аппроксимационным зависимостям.
Работа выполнена на лабораторных базах кафедры «Технология и оборудование пищевых производств» Технологического университета Таджикистана.
Обзор литературных данных по методу измерения термических коэффициентов и плотности жидкостей
В работе [5] сообщается о создании экспериментальной установки для одновременного измерения коэффициентов теплового расширения ар и изотермической сжи-маемости жидкостей рт в широком интервале температур 293-363 К и давлений 0,101-147 МПа.
Для определения термических свойств газов применен метод последовательных расширений (метод Барнетта) [6].
Авторы работ [7-14] методом пьезометра с балластным объемом и безбастного пьезометра постоянного объема измерили удельный объем жидкостей в зависимости от температуры и давления.
Авторы работ [15-19] использовали наиболее распространенный метод определения коэффициентов изотермической сжимаемостиру =—(—)т и теп р дР лового расширения а? = —(—)р . р ЭТ
Рассмотрены экспериментальные методы определения удельных объемов и плотностей исследуемых жидкостей на основе прямых измерений с применением пьезометров постоянного и переменного объема, гидростатического взвешивания, позволяющие рассчитывать производные объема по давлению и температуре, входящие в выражения термических коэффициентов.
Рассмотрены методы косвенного измерения (Зт и ар на основе акустических и калориметрических методов.
Приведены преимущества и недостатки методов измерения, диапазоны измерения параметров состояния, дана оценка точности определения первичных экспериментальных данных и расчетных значений р\г и ар. Рассмотрены возможности применения микрокалориметрического метода для получения совокупности термодинамических и теплофизических свойств по значениям тепловых потоков.
В работе [20] авторы приводят результаты экспериментальных исследований плотности тепло- и температуропроводности, теплоемкости двухком-понентных водных растворов в интервале температур 293-573 К и давлений 0,101-49,1 МПа. Для измерения плотности двухкомпонентных водных растворов использован метод гидростатического взвешивания.
Авторы работы [21] методом гидростатического взвешивания исследовали плотность трехкомпонентных систем (олигептан+вода+ДМСО) в нормальных условиях, а также ими рассчитаны термодинамические параметры.
Юрина Е.С. и др. в работе [22] привели результаты экспериментального исследования плотности растворов литиевых солей в диэтилкарбонат-пропи-ленкарбонат в зависимости от температуры. Авторы для определения плотности использовали метод пьезометра постоянного объема.
Авторы работ [23, 24] методом гидростатического взвешивания определяли плотности трехкомпонентных систем и жидких кристаллов при комнатной температуре. На основе экспериментального исследования рассчитаны термические и термодинамические свойства исследуемых объектов.
Онищенко В.П. и др. в [25] привели результаты экспериментального исследования на установке, реализующей метод пьезометра переменного объема. Экспериментально исследовано фазовое равновесие бинарной смеси альтернативных хладоагентов R32/R125 на трех составах.
Базаев А.Р. в работе [26] приводит результаты разработки установки методом пьезометра постоянного объема, позволяющей получить экспериментальные данные с большой точностью для бинарных смесей. Одним из компонентов которой является вода (водяной пар), при температурах от комнатной до 773,15 К и давлениях до 100 МПа.
Повышение точности параметров достигнута за счет: 1. Усовершенствования конструкции пьезометра, обеспечивающего гомогенность исследуемой смеси; 2. Использования высокоточной автоматической системы термостати-рования(±0,0РС); 3. Измерения давления смеси грузопоршневым манометром, соединенным с объемом пьезометра через мембранный нуль-датчик, с погрешностью не более ±0,002 МПа; 4. Точной методики калибровки объема пьезометра, заполнения его исследуемыми компонентами, отбора и определения состава смеси. Измерена сжимаемость бинарных газовых смесей вода-азот, вода-углеводороды.
Устюжанин Е.Е. в работе [26] приводит результаты экспериментального исследования плотности фторзамещенных углеводородов и их смесей в зависимости от температуры и давления. На основе этих данных авторы получили уравнение состояния.
Экспериментальное исследование [28] фазовых равновесий системы R23/R110, проведенное на установке, реализующей метод пьезометра переменного объема, а также измерены P-V свойства и критические параметры исследуемых объектов. В работе [29] приводятся результаты экспериментального исследования Р-р-Т и Pss зависимости хлорбензола в интервале температур 298-648 К и давлений 0,1-50 МПа.
Описание установки для определения плотности жидкостей по методу гидростатического взвешивания
Измерительный прибор изображен на рис.2.2.2. Пьезометрический сосуд высокого давления (1) изготовлен заодно с соединительной трубкой (3) из нержавеющей стали 1Х18Н9Т. наружный диаметр сосуда- 72 мм, внутренний -17 мм, а наружный и внутренний диаметры трубки (3) соответственно 12 и 6 мм. На сосуд горячей насадкой надет медный блок (2) диаметром 98 мм. Сосуд снизу уплотняется конусом (9) с нажимной гайкой (8), а к конусу приваривается трубка (10). Соединяющая пьезометрический сосуд с прижимным сосудом. В верхней части соединительной трубки имеется конус (15). При помощи которого она соединяется с головкой прибора (4). Головка прибора, уплотняющая Рис. 2.2.2. Пьезометрический сосуд высокого давления для измерения плотности жидкостей конус с пальцем и нажимная гайка (6) изготовлены из немагнитного материала (титана) для устранения остаточного магнетизма, которое может влиять на измерения. Внутри головки имеется гнездо, в котором располагается тефлоновая катушка (18) с 2-хслойным датчиком обратной связи из хлорвинилового медного провода. Концы датчика через тефлоновое уплотнение высокого давления (16) выводятся наружу. Остатки воздуха удаляются через штуцер (17). Подвесная система состоит из кварцевого поплавка (12). Подвешенного на манганитовой нити (11) диаметром 0,1 мм к ферромагнитному сердечнику (19).
Ферромагнитный сердечник изготовлен из железа «Армко» в виде тонкостенной трубки с внешним и внутренним диаметром 3 и 2 мм. В нижней части сердечника имеются отверстия для закрепления нити и усики для поддержания сердечника на тефлоновой катушке датчика. В отличие от проведенных ранее исследований в данной работе использовался литой, сплошной кварцевый поплавок диаметром 8 мм. Этот момент, как будет указано далее, имеет существенное методическое значение для повышения точности определения плотности.
При помощи ушка кварцевый поплавок подвешивался к нити. Для определения плотности методом гидростатического взвешивания требуется знать геометрические размеры и вес подвесной системы: поплавка, сердечника и манганитовой нити. Вес их определяется взвешиванием на аналитических весах.
Объем поплавка и сердечника определялся взвешиванием их в воздухе и в калибровочной жидкости при комнатной температуре [85]. Объем нити определялся расчетным путем. В таблице 2.2.1 приведены данные по калибровке подвесной системы.
Определенный таким образом вес подвесной системы, как суммы отдельных элементов и затем измеренный на собранной и готовой к опыту установке с помощью электронно-следящей системы оказался одинаковым. Таблица 2.2.1. Данные по калибровке подвесной системы № Наименование детали Вес, 103 кг Объем, 10" м 1. Кварцевый поплавок 5,5465 2,4920 2. Сердечник 1,1202 0,1500 3. Нить 0,0229 0,0026 4. Вес подвесной системы в воздухе 6,6896 2,6446 5. Вес подвесной системы в пустоте 6,6914 2.2.3. Подготовка к опытам и методика проведения экспериментов
Откалиброванный поплавок подвешивался на манганитовой проволоке к сердечнику в пьезометрическом сосуде. После подвешивания подвесной системы, установка в открытом состоянии проверялась на строго вертикальное центрирование с целью устранения задевания проволоки в соединительной трубке по уровню, находящемуся на головке прибора. Прибор уплотнялся верхним и нижним конусами и заливался исследуемым веществом.
Для проверки всей системы, работающей под давлением, на герметичность установка предварительно подвергалась гидравлическому давлению 68,6-78,4 МПа в течении одного часа.
Перед началом проведения опыта проверялась исправность всех схем измерения и контроля: температуры, давления, строгой вертикальности, а также надежности работы электронно-следящей системы.
Методика проведения опытов состояла в следующем. После установления стационарного теплового режима термостатической электропечью и создания требуемого давления, проводилось измерение плотности. Для этого сначала определялся вес соленоида без подачи в него электрического тока mj, а затем подключалась электронная следящая система для проведения подвесной системы во взвешенное состояние и измерялся вес соленоида вместе с подвесной системой ПЇ2, разность между т2 и т/ исследуемой жидкости. Время между вз вешиваниями mi ат2 должно быть минимальным, т.к. соленоид от нагрева монотонно изменяет свой вес. Для исключения сильного нагрева соленоида ток в него подается только во время взвешивания.
Зная вес подвесной системы в пустоте и в исследуемой жидкости, можно определить плотность исследуемого вещества. Расчетная формула для определения плотности из данных опытов Расчетное уравнение метода гидростатического взвешивания основано на законе Архимеда.
Известно, что на тело, погруженное в жидкость или газ действует выталкивающая сила, направленная вверх и равная весу вытесненной жидкости или газа. Во взвешенном состоянии подвесной системы сила тяжести уравновешивается Архимедовой силой F и AF, действующей на сердечник в магнитном поле катушки соленоида [86]:
Плотность растворов в зависимости от температуры при атмосферном давлении. Обработка и обобщение экспериментальных данных
На рис.3.3.3 и 3.3.4 показана зависимость плотности сафлорового масла от концентрации растворителя (п-гексан, экстракционный бензин) и давления. Как видно из рис.3.3.3 и 3.3.4 плотность исследуемых растворов с ростом дав ления увеличивается, а с повышением концентрации растворителя увеличивается, а затем уменьшается. Самое наименьшее значение плотности имеет раствор (75% сафлорового масла+25% экстракционного бензина) мае.
Действительно, под влиянием внешнего давления молекулы сафлорового масла (или раствора) приближаются друг к другу, что облегчает переход тепла от одного изотермического слоя к другому. Поэтому увеличение внешнего давления приводит к росту плотности раствора. С ростом температуры межмолекулярное расстояние растет, что приводит к уменьшению передачи тепла.
На рис.3.3.5 приведена зависимость плотности растворов (n-гексан, диэ-тиловый эфир и экстракционный бензин) в зависимости от температуры при атмосферном давлении, из которого видно, что с ростом температуры плотность растворов уменьшается. Самое наименьшее значение плотности имеет раствор, имеющий п-гексан.
Для получения расчетного уравнения по плотности исследуемых объектов при высоких параметрах состояния нами обработаны экспериментальные данные в виде следующей функциональной зависимости [104, 116-120, 188, 189,191]: fpiT\ РР,Т = / (3.4.1) K№J 1,Л Рр где pPJ - плотность при давлении Р и температуре Т; рРКП- плотность при давлении Pi и температуре Т\\ Р/=4,91 МПа, 7 /=293 К. Выполнимость зависимости (3.4.1) для раствора (50% сафлорового мас-ла+50% C4H,0O) мае. показана на рис.3.4.1, из которого видно, что экспериментальные данные хорошо укладываются вдоль отдельных изобар.
Далее экспериментальные данные, приведенные на рис.3.4.1 обработаны в виде функциональной зависимости [188, 189]: [(Р1Т)1(Р{1Т$ Р, Рр (3.4.2) р/р [(PIT)I(PJT& значения [(P/T)/(Pi/T[)] при (рр,т/рр і,т і) ь = / [Р р,т / 1, Л Л \Pp]j\ л где [(Р/Т Р,/!,)], (рр,т/ррі,ті)і=1,02.
Выполнимость зависимости (3.4.2) для всех исследуемых сафлоровых масел показана на рис.3.4.2, из которого видно, что экспериментальные точки хорошо укладываются вдоль общей кривой. Зависимость {[(P/T)/(P1/Ti)]i}P2=f(nCM) описывается уравнением {[(і /Г)/(І Ш,,2 =1,45-10- -3,11-10-3 +2,028 (3.4.7) Из уравнений (3.4.3) с учетом выражений (3.4.4), (3.4.5), (3.4.6) и (3.4.7) для расчета плотности исследуемых объектов в зависимости от температуры и давления получим: -\2 Р + рр.г = {-1,3140 7(2,99 10"8Р + 0,16)(1,45-10- -3,11-10-3 +2,028) Р -10 + 0,623}х + 1,85-10" _7(2,99 10"s Р + ОД 6)(1,45 10"5 rf(:M - 3,11 10"3 пш + 2,028) х{Ап]ас + Впрас+С\ кг 1м (3.4.8)
С помощью уравнения (3.4.8) можно вычислить плотность экспериментально неисследованных сафлорового масла и их растворов в зависимости от температуры и давления, для этого необходимо знать только значения концентрации сафлорового масла и растворителей.
Проверка уравнений (3.4.8) показала, что оно со среднеарифметической погрешностью 0,5-2,0% описывает плотность исследуемых объектов в интервале температур 293-473 К и давлений 4,91-49,1 МПа.
Используя уравнение (3.4.8) рассчитана плотность экспериментально неисследованных растворов сафлорового масла в интервале температур 293-473 К и давлений 4,91-49,1 МПа (табл. П3.1 -П.3.3). Выводы: 1. Впервые получены экспериментальные данные по плотности растворов сафлорового масла при высоких параметрах и давлениях (Т=293-473 К; Р=0,101-49,1 МПа). 2. Показано, что плотность исследуемых объектов в жидком состоянии при заданной температуре увеличиваются с ростом давления; с ростом температуры влияние давления на плотность исследуемых растворов увеличивается. 3. Установлено, что с ростом концентрации растворителя плотность исследуемых растворов сначала увеличивается, а затем уменьшается. 4. Приводится качественное объяснение плотности исследуемых растворов.
Полученные опытные данные значения Р-р-Т зависимости для растворов сафлорового масла позволяют на их основе выбрать подходящее уравнение состояния. Анализ существующих уравнений состояния для растворов сафлорового масла показал, что среди них -уравнения Тейта с достаточной точностью описывают экспериментальные данные [121-124, 192].
Дифференциальная форма этого уравнения имеет вид [56, 110]: ґдхл А{Т) дР (4.4.1) В(Т) + Р где А (Т) и В(Т) - температурные функции уравнения (4.1.1); х - плотность Интегральная форма уравнения Тейта имеет вид: Р + В(Т) \иг Jr х0 (4.1.2) Р0 + В(Т) где х0 и Р - некоторые начальные (стандартные) значения х и давления Р; А=А7х0.
В настоящее время уравнения Тейта часто применяют для описания термических свойств различных жидкостей [125-130, 179-187, 195]. В основном оно применялось к предельным углеводородам в ограниченном интервале температур. Отметим, что зависимость А от температуры более слабая, чем зависимость В(Т). Поэтому авторы работ [125-130] пришли к выводу, что А остается приблизительно постоянным до температуры кипения.
Применение уравнения Тейта для расчета плотности исследуемых растворов
Для расчета всего комплекса термодинамических свойств при атмосферном давлении можно рассмотреть два подхода. В первом, традиционном, измеряется плотность при различных температурах и давлениях, несколько превышающих атмосферное. По полученному на базе этих данных уравнению состояния р (Р,Т) определяются изотермический коэффициент сжимаемости и изобарный коэффициент расширения: Р\дР)т ар р \дТ;Р {A3 2) Для расчета калорических свойств в этом случае экспериментально определяется, как правило, изобарная теплоемкость ср, и изохорная теплоемкость cv рассчитывается по известным дифференциальным уравнениям термодинамики: др\2 с -с = —-v Jl (A3 3) .дТ_), V дР, Адиабатный коэффициент сжимаемости j3s рассчитывается при этом по формуле: Д =AL (4.3.4)
Этот метод имеет по крайней мере два недостатка. Во-первых, необходимо проводить экспериментальное исследование плотности при давлениях, отличных от атмосферного и, во-вторых, погрешность определения изотермического и, в особенности, адиабатного коэффициента сжимаемости может достигать несколько процентов, если погрешность плотности составляет несколько десятых долей процента.
Во втором методе [111, 112] определение термодинамических свойств базируется на экспериментальном исследовании плотности р, изобарной теплоемкости ср и скорости звука w только при атмосферном давлении. В этом слу 107 чае термодинамические свойства рассчитываются по следующим формулам [104, 178, 179, 192]:
Выполнимость выражения (4.4.1) для растворов (75 % сафлоровое масло + 25 % п-гексан) показана на рис.4.4.1, из которого видно, что величина аР с ростом температуры возрастает, а с ростом давления уменьшается. Изотермический коэффициент сжимаемости: #-=-(] =VP2AT) + B{T)\ (4.4.2) Зависимость коэффициента изотермической сжимаемости от температуры показана на рис.4.4.2, из которого видно, что величина (Зт с ростом температуры возрастает, а с ростом давления уменьшается.
Далее, зная параметры аР и 3Т рассчитали внутреннее давление Pj и разность теплоемкости cp-cv (табл.П.4.1 -П.4.3) по уравнениям: P= LT-P (4.4.3) fir firP
Как видно из табл. П.4.1, внутреннее давление растворов сафлорового масла с ростом температуры уменьшается, а с ростом давления увеличивается. Согласно табл. П.4.2 разность теплоємкостей исследуемых растворов с ростом температуры увеличивается, а с ростом давления уменьшается. Коэффициент термического давления у растворов сафлорового масла в широком интервале температур и давлений определялся по формуле: r = j[A\T)p2 + B (T)ps] (4.4.5)
Вычисленные значения коэффициента термического давления исследуемых объектов приводятся в таблице П.4.3, согласно которой коэффициент термического давления с ростом температуры и давления уменьшается
1. При обработке экспериментальных данных по плотности исследуемых растворов нами впервые получены эмпирические уравнения.
2. При обработке экспериментальных данных по плотности исследуемых веществ в широком интервале температур и давлений получено эмпирическое уравнение.
3. На основе экспериментальных данных по плотности растворов получены уравнения состояния.
4. Впервые рассчитаны термодинамические свойства исследуемых растворов. Основные результаты и выводы
1. Впервые получены экспериментальные данные по плотности растворов сафлорового масла в интервале температур 293-473 К и давлений 0,101-49,1 МПа. Показано, что плотность исследуемых веществ в жидком состоянии при заданной температуре увеличивается с ростом давления и уменьшается с ростом температуры при постоянном давлении; с ростом температуры влияние давления на плотность исследуемых объектов увеличивается, а с повышением давления влияние температуры на плотность уменьшается.
2. Установлено, что с ростом концентрации растворителей (25% растворителей) плотность сафлорового масла увеличивается, а затем уменьшается. Приводится качественное объяснение изменения плотности исследуемых объектов с ростом температуры, давления и концентрации растворителя.
3. Получены аппроксимационные зависимости, устанавливающие плотность исследуемых образцов сафлорового масла от температуры, давления, концентрации растворителей.
4. На основе уравнения состояния исследуемых растворов рассчитаны термодинамические свойства в широком интервале температур и давлений.
5. Предложено практическое использование полученных результатов в технологии производства сафлорового масла.
