Теплофизические свойства простых эфиров и водных растворов гидразина в зависимости от температуры и давления Сафаров, Махмадали Махмадиевич

Введение к работе

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ обусловлена непрерывным ростом потребностей науки, техники и ведущих отраслей промышленности в достоверных данных о теплофизических свойствах (Т$С) технически важных жидкостей, газов и их растворов. Коренное повышение эффективности энергетических систем требует разработки и внедрения принципиально новой технологии и создания на их основе энергетических устройств нового поколения. Решение этой проблемы невозможно без создания надежных, теоретически обоснованных методов расчета ТШС перспективных рабочих жидкостей, газов и растворов, применяемых в энергетических и технологических конструкциях.

Интенсивность и продуктивность технологических процессов зависит не только от правильной организации химических взаимодействий, но и от целесообразности направленных потоков тепла и массы. Для совершенствования и оптимизации технологических процессов необходимы научно обоснованные инженерные расчеты, которые нуждаются в информации о теплофизических свойствах рабочего вещества в широкой области параметров состояния. Использование ориентировочных или даже приближенных данных по свойствам веществ в инженерных расчетах приводит к существенному завышению металлоёмкости установок, и снижению их техно-экономических показателей.

В связи с этим, дальнейшее уточнение теплофизических данных рабочих веществ представляет собой значительный резерв совершенствования технологического процесса.

Разработка высокоэффективной новой техники, материалов с заранее заданными свойствами для различных отраслей народного хозяйства, как и в целом ускорение научно-технического прогресса, невозможно без знания свойств веществ и материалов.

Анализ потребностей науки и техники в численных данных о свойствах веществ показал, что около 35% всей необходимой информации составляют данные о веществах в жидком и газообразном состояниях, из которых свыше BOfo - данные о теплофизических свойствах.

_ 4 -

Достоверность данных о свойствах веществ и материалов влияет прежде всего на качество выпускаемой продукции.

Развитие новых направлений в науке и технике, таких как ядерная физика, космическая техника, квантовая электроника, вычислительная техника, ядерная энергетика вызвали бурный научно-технический прогресс. Появился целый ряд новых технологических процессов, протекающих при высоких температурах и давлениях.

Вмерте с тем, это послужило основанием для совершенствования и интенсификации ранее существующих процессов, применяемых, в химической, нефтехимической, топливной, нефтеперерабатывающей и других видах промышленности с крупнотоннажным производством.

В полуфабрикатах и готовой продукции нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности важное место принадлежит простым эфирам, водным растворам гидразина и фенилгидразина. Однако, современное состояние исследования их теплофизических свойств нельзя считать удовлетворительным.Исследования теплофизических свойств (теплопроводность, плотность, удельная теплоемкость, температуропроводность и вязкость) простых эфиров, водных растворов гидразина и фенилгидразина имеют большое практическое и научное значение.

К числу основных физико-химических величин, характеризующих свойства жидкостей, тесно связанных со многими другими физическими и химическими величинами и входящие в качестве основных параметров в уравнения гидродинамики.и теплообмена при расчетах и проектировании процессов и аппаратов, относятся теплопроводность, плотность, теплоемкость и вязкость.

Изучение теплофизических свойств жидкостей и растворов в значительной степени способствует развитию и совершенствованию современной теории жидкого'состояний; выяснение механизма межмолекулярного взаимодействия в жидкостях'дает возможность объяснить ряд физико-химических и тепловых явлений, связанных с молекулярным переносом. И не случайно, что результаты исследования теплофизических свойств (теплопроводность, плотность, теплоемкость, температуропроводность и вязкость) легли в основу современной молекулярно-кинетической теории газов и жидкостей.

- б -

Имея уравнение состояния (УС), составленное на основе данных о плотности, можно рассчитать ряд калорических свойств: теплоемкость, 'энтропии, энтальпию, теплоту парообразования и другие.

Диссертационная работа посвящена исследованию'теплопроводности, плотности, теплоемкости, температуропроводности и вязкости простых эфиров (диметил, диэтил, диаллил, дипропил, дибу-тил, диамил, дигексил, дигептил, диоктил, диизопропил, дивинил, дифенил, дидецил), водных растворов гидразина и фенилгидразина 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, .90 % мол.) в интервале температур 293-710 К и давлений (0,101-98,1) МПа.

Диссертационная работа выполнена по плану координации научно-исследовательских работ в области естественных и общественных наук АН Республики Таджикистан на І98І-І985 и 1986-1992 годы по теме "Теплофизические свойства вещества" (№ госрегистрации 8І08І75) и (№01.86.0103274) по проблеме 1.9.7 - Теплофизика.

1. Разработка и создание экспериментальных установок для исследования теплофизических свойств жидких и газообразных веществ, а также технически важных растворов при высоких параметрах состояния.

2. Разработка и создание автоматизированного теплофизического комплекса.

3.' Получение экспериментальных значений теплопроводности, плотности, удельной теплоемкости, температуропроводности и динамической вязкости простых эфиров,. водных растворов гидразина и фенилгидразина в интервале температур'290-710 К и давлений (0,101-98,1) МПа.

4. Установление зависимости теплофизических свойств простых эфиров, водных растворов гидразина и фенилгидразина от температуры, давления, молярной массы и мольной концентрации воды.

5. Выявление механизма переноса тепла в водных растворах гидразина и фенилгидразина.

6. Получение аппроксимационной зависимости, устанавливающей

- б -

взаимосвязь теплопроводности, теплоемкости, плотности, динамической вязкости с температурой, давлением и особенностями структуры исследуемых объектов.

7. Получение обобщенного уравнения для расчета теплопроводности жидких органических веществ в зависимости от температуры, давления, молярной массы, температуры кипения и числа атомов углерода.

8. Установление взаимосвязи теплофизических свойств исследуемых объектов в широком интервале параметров состояния.

9. Выбор и разработка модели структуры и метода расчета теплопроводности водных растворов гидразина и фенилгидразина.

10.Составление уравнения состояния (УС) для исследованных объектов.

II.Составление таблиц, рекомендуемых для справочных данных по теплофизическим свойствам газообразных и жидких простых эфи-ров, водных растворов гидразина и фенилгидразина.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА: .

1. Разработаны и созданы экспериментальные установки для исследования Р- р -Т зависимости (по методу гидростатического взвешивания), теплопроводности (по.методу цилиндрического бикало-риметра регулярного теплового режима первого рода), теплоемкости (монотонного разогрева), динамической вязкости (метод вискозиметра с выносным капилляром). При разработке установок учтены специфические особенности растворов гидразина и фенилгидразина, которые потребовали новых конструктивных и методических решений.

2. Получены экспериментальные данные:

- по теплопроводности А- , температуропроводности а , плотности р , теплоемкости Ср и динамической ВЯЗКОСТИ Т| . простых эфиров (диметил, диэтил, диаллил, дипропил, дибу-тил, диамил, дигексил, дигептил, диоктил, дидецил, дивинил, диизопропил, метилпрогіил), а также водных растворов гидразина и фенилгидразина (10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90)% мол. в широком интервале температур при давлениях (0,101-98,1) МПа;

- по упругости паров простых эфиров (диэтил, диаллил, дипро-пил, дибутил, диамил, дигексил, дигептил, диоктил) в зависимости от температуры.

3. Получены аппрокстлационные зависимости, описывающие р -Р-Т,
Р-Г| -Т, Р- А. -Т, Р- С_Р -Т, Р-а -Т, A = Up") , C_P=f(p) ,

T» = t(p") * a.«fCp") , .С помощью Р- р -Т за-

висимостей рассчитаны коэффициент теплового расширения <Л_Р , изотермическая сжимаемость (i_t , термический коэффициент давления ^ , внутреннее давление Pj , разность теплоємкостей C_p-C_v , изобарная и изохорная теплоемкости, скорость звука и энтальпия исследуемых объектов при различных температурах и давлениях.

4. При обобщении экспериментальных данных получено обобщенное уравнение для расчета теплопроводности жидких органических веществ, в зависимости от температуры, давления, молярной массы, температуры кипения, числа атомов углерода.

5. Установлена взаимосвязь теплопроводности, вязкости, теплоемкости, температуропроводности с плотностью исследуемых объек-

. тов в широком интервале параметров состояния (Т=290-7Ю К, Р=0,101-98,1 МПа).

6. :.,- Обосновано прогнозирование Т$С исследуемых объ
ектов на основе их молекулярных структур.

7. Выбрана модель структуры водных' растворов гидразина и фенил--' гидразина, проведен анализ процесса теплопереноса и на ее основе рассчитана теплопроводность исследуемых растворов.

8. Разработана методика обобщения уравнения состояния Тейта для группы подобных веществ и показана возможность применения этого метода к другим видам уравнений состояния.

9. Составлены таблицы экспериментальных данных по теплопроводности, плотности, вязкости, удельной 'теплоемкости, температуропроводности газообразных и жидких простых эфиров, водных растворов гидразина и фенйлгидразина в интервале температур 290-710 К и давлений (0,101-98,1) -Mia. Таблицы по теплопроводности и плотности жидких и газообразных простых эфиров утверждены в качестве таблиц Рекомендуемых справочных данных

(таблиц РСД) соответствующими подразделениями' Государственной службы стандартных справочных данных ВНИЦ СМВ России. 10. Разработаны методы расчета термодинамических свойств и коэффициентов уравнений состояния типа Тейта, Леннард-Джонса и Девоншайра для простых эфиров, водных растворов . гидразина и фенилгидразина.

I. Новые варианты экспериментальных установок и обоснование ' возможности их применения для исследования теплопроводности, удельной теплоемкости, плотности, вязкости жидкостей, газов и химически активных веществ при высоких параметрах состояния, включая критическую и закритическую области.

с. Автоматизированный теплофизический комплекс, с помощью которого измеряется теплопроводность жидкостей и газов в широком интервале параметров состояния.

3. Экспериментальные данные по теплопроводности, плотности,
удельной теплоемкости, температуропроводности и вязкости
жидких и газообразных простых эфиров, водных растворов гид
разина и фенилгидразина в диапазоне температур 290-710 К

и давлений (0,101-98,1) Ша. .

4. Методы расчета теплофизических свойств жидких и газообразных веществ и анализ процесса теплопереноса.в исследуемых объектах.

5. Аппроксимационные зависимости и уравнения состояния (УС) для расчета теплопроводности, плотности, удельной теплоемкости и динамической вязкости простых эфиров, водных растворов гидразина и фенилгидразина в широком интервале температур и давлений.

6. Обобщенные уравнения для расчета теплопроводности жидких р.рганических веществ в зависимости от температуры (293-710) К,'давления (0,101-49,1) Ша, молярной массы, температуры кипения, числа атомов углерода.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ. І. Составлены подрооные таблицы Ж! технически важных веществ (жидких и газообразных простых эфиров, водных растворов гидразина и фенилгидразина) в широком интервале температур (293-710) К и давлений (0,101 -98,1) Ща, которые могут быть использованы проектными организациями в различных технологических процессах.

2. Результаты проведенных исследований по теплофизическим свойствам водных растворов (гидразина и фенилгидразина) внедрены в научно-производственном объединении Государственного института прикладной химии (НПО ГйПХ),г.Санкт-Петербург и Институте химии АН Республики Таджикистан при расчетах модельных реакторов и технологических процессов, а экспериментальные данные используются как справочные.

3. Полученные алпроксимационные зависимости по теплопроводности, теплоемкости, вязкости, температуропроводности и уравнение состояния (УС) используются для инженерных расчетов в НПО гаПХ г.Санкт-Петербурга и Института химии АН Республики Таджикистан.

4. Решением Российского научно-исследовательского центра по сертификатам, материалом и веществам Госстандарта (РНИЦ СМВ Госстандарта) (г.Москва) полученным данным по теплопроводности и плотности жидких и газообразных простых эфиров'присвоена категория "Рекомендуемые справочные данные".

5. Данные по теплопроводности газообразного и'жидкого простых эфиров (диметил, дизтил, диизопропил, дипропил, дибутил, ди-амил, дигексил, дигептил, диоктил) при различных'температурах и давлениях включены в "Справочник по теплопроводности жидкостей и газов", 1990 г. (авторы Н.Б.Варгафтик и др.).

6. Разработанные экспериментальные установки могут быть использованы для скоростного определения теплофизических свойств технологических материалов в различных лабораториях.

7. Созданная аппаратура для измерения теплофизических свойств жидких и газообразных веществ используется в научной и учебной лабораториях кафедры общей физики Душанбинского педагогического университета им.К.Джураева аспирантами и препода-

вателями для выполнения диссертационных работ и студентами" при выполнении дипломных, курсовых и лабораторных работ.

8. Описание экспериментальных установок для измерения теплопро
водности, плотности жидких и газообразных веществ включены

в учебное.пособие на таджикском языке "Основы теплофизики" Душанбе, 1992 г. (авторы Х.Маджидов, Т.Х.Салихов, М.М.Сафа-ров), которое используется студентами, аспирантами и научными, сотрудниками, работающимив области теплофизических исследований.

9. На опубликованные работы поступило очень много заявок из
ряда зарубежных стран (США, Испания, Германия, Чехословакия
и др.).

Диссертация представляет из себя обобщение результатов ис
следований, выполненных автором как самостоятельно, так и сов
местно с двумя аспирантами на правах соруководителя. Автору
принадлежат: постановка задачи, экспериментальные измерения теп
лопроводности, плотности, удельной теплоемкости, динамической
вязкости простых эфиров и водных растворов гидразина и фенил-
гидразина в широком интервале параметров состояния; описание и
обобщение результатов измерений существующими методами; разра- .
ботка нового метода описания, обобщения и прогнозирования теп
лофизических свойств исследуемых объектов. Основные обобщающие
положения диссертации сформулированы лично автором. На разных
этапах при выполнении измерений принимали участие аспиранты
Р.Ш.Асоев, М.А.Зарипова. '

Из опубликованных совместно с соавторами работ использовались только те материалы, в которые автор внес равноценный вклад (в постановку задачи, участие в экспериментах, трактовка и обобщение полученных результатов).

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основное содержание и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на УП Всесоюзной конференции по теплофизическим свойствам веществ (Ташкент, 1982 г.); ІУ Всесоюзной теплофизической школе (Тамбов, 1988 г.); УШ Всесоюзной конференции по теплофизическим свойствам веществ

- II -

(Новосибирск, 1989 г.); П Всесоюзной конференции "Проблемы физики прочности полимеров" (Душанбе, 1990 г.); Международном совещании-семинаре "Реофизика и теплофизика неравновесных систем" (Шнек, 1991 г.); Всесоюзном семинаре по химии неводных растворов "Межчастичные взаимодействия в растворах" (Душанбе, 1991 г.); 8 Международной конференции "Уравнения состояния" (Эльбрус, 1992 г.); IX Теплофизической конференции СНГ (Махачкала, 1992 г.); Международной теплофизической школе "Теплофизические проблемы промышленного производства" (Тамбов, 1992 г.); Региональном совещании-семинаре "Структурно-динамические процессы в неупорядоченных средах" (Самарканд, 1992 г.); Республиканской научно-практической конференции (Курган-Тюбе, 1991 г.); Республиканской научно-технической конференции по теплофизическим свойствам веществ (Баку, 1992 г.); конференциях профессорско-преподавательского состава Душанбинского педагогического университета им.К. Джураева (Душанбе, 1982-1992 г.г.).

По теме диссертаций автором опубликовано 64 печатных работ в виде научных статей, тезисов и текстов докладов на научных конференциях и симпозиумах, а также одно учебное пособие и один патент. В основу диссертации положены результаты научных исследований, выполненных при непосредственном участиии автора в 1982-1992 г.г. на кафедре общей физики Душанбинского педагогического университета им.К.Джураева.

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 400 наименований и приложения в виде отдельного тома, в котором содержатся таблицы РСД (теплопроводность, плотность, удельная теплоемкость, вязкость и температуропроводность) ряда технически важных жидкостей и растворов, документы, подтверждающие использование результатов работы, а также расчет погрешности измерения теплофизических величин.

Диссертация изложена на iis-S рисунков и 3""/ таблиц.

-.12 -