Фазовые равновесия в двухкомпонентной системе н-нонадекан - циклододекан Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

Изв. Сарат. ун-та. Нов. сер. Сер. Химия. Биология. Экология. 2016. Т. 16, вып. 2

УКД 543.226: 541.123.3

ФАЗОВЫЕ РАВНОВЕСИЯ В ДВУХКОМПОНЕНТНОЙ СИСТЕМЕ Н-НОНАДЕКАН - ЦИКЛОДОДЕКАН

Е. П. Петров, И. К. Гаркушин, А. В. Колядо

Самарский государственный технический университет E-mail: e.p.petrov@yandex.ru

Методом низкотемпературного дифференциального термического анализа с использованием дифференциального сканирующего калориметра теплового потока впервые была исследована система н-нонадекан - циклододекан. Исследованная система относится к эвтектическому типу. Сплав эвтектического состава содержит 37,0 мас % циклододекана и плавится при температуре 20,4 °С.

Ключевые слова: н-нонадекан, циклододекан, фазовые равновесия, ликвидус, эвтектика.

Phase Equilibria in the Twocomponent System n-nonadecan - Cyclododecane

E. P. Petrov, I. K. Garkushin, A. V. Kolyado

Method of low-temperature differential thermal analysis using a differential scanning calorimeter of heat flow was first studied system n-nonadecane - cyclododecane. The studied systems are of the eutectic type. Alloy of eutectic composition contains 37,0 wt % of cyclododecane and melts at a temperature of 20.4 °C. Key words: n-nonadecane, cyclododecane, phase equilibria, liquidus, eutectic.

DOI: 10.18500/1816-9775-2016-16-2-136-137

Введение

Современная энергетика ориентирована на развитие экологически чистых способов получения электроэнергии. В климатических районах с преобладанием солнечных дней в году в качестве альтернативного источника энергии могут выступать установки, в которых применяется передача сфокусированного тепла солнечного излучения к рабочему телу паровой турбины. При этом используется промежуточный теплоноситель, который передает тепло воде. Применяющийся промежуточный теплоноситель должен обладать рядом свойств: быть дешевым и доступным, обладать широким температурным диапазоном, выдерживать большое число циклов «нагрев-охлаждение», обладать низкой токсичностью и не оказывать коррозионного воздействия на металлические материалы. Анализ данных литературы показывает, что в качестве таких теплоносителей могут быть использованы н-алканы, а также их смеси, в том числе включающие циклоалканы.

В качестве объектов исследования для поиска новых теплоносителей выбрана система

н-нонадекан (н-С19Н40) - циклододекан (С^^ф). Предварительный прогноз фазовой диаграммы данной двухкомпонентной системы осуществлялся с использованием теории идеальных растворов, в рамках которой было применено упрощённое уравнение растворимости (уравнение Шредера - Ле Шателье) [1, 2]: _ А тИк (Т: - ГА)

ln X a = -

RTT

где Хд - мольная доля компонента А в расплаве; АтНд - мольная энтальпия плавления вещества А, Дж/моль; Те - температура плавления эвтектического состава, К; ТА - температура плавления чистого компонента А, К; Я - мольная газовая постоянная, равная 8.314 Дж/моль К.

При нормальном давлении С19Н40 имеет две модификации [3]. Фаза II переходит в гексагональную фазу I (ротационный переход) при X = 21.5оС с АН = 14.2 кДж/моль и АУ = = 13.8 см3/моль. Плавится фаза I при 31.5оС с АН = 37.6 кДж/моль и АУ = 46 см3/моль [3]. Первым был исследован состав, отвечающий расчётному значению эвтектики. На кривой нагревания сплава состава, отвечающего расчётному составу эвтектики, отмечено два термоэффекта (22.1°С и 20.4 °С). По характеру термограмм было выявлено, что расчётная температура эвтектики не отвечает экспериментально найденному значению. В связи с этим было проведено исследование фазовых равновесий в системе методом ДТА для выявления координат эвтектики.

Результаты и их обсуждение

Экспериментальное исследование проводили с использованием установки на базе дифференциального сканирующего калориметра теплового потока (микрокалориметр ДСК) [4]. Через термостатируемый кожух с помощью термостата И10 постоянно пропускалась вода температурой 40 ± 0,1 С°. Нагревание исследуемых составов проводили со скоростью 4 град/мин. Погрешность в измерении температуры составляла ± 0.3°С. Составы готовили из веществ заводского изготовления квалификаций «ч» и «р. а.»

© Петров Е. П., Гаркушин И. К., Колядо А. В., 2016

Е. П. Петров и др. Фазовые равновесия в двухкомпонентной системе

с содержанием основного вещества не менее 99 мас.% методом точных навесок. Термограммы снимали в диапазоне от минус 70 до плюс 70 °С.

Фазовая диаграмма системы н-нонадекан -циклододекан была построена по совокупности кривых нагревания 13 смесей (рисунок, таблица). Система н-нонадекан - циклододекан относится к системам эвтектического типа. Сплав эвтектического состава содержит 63.0 мас. % н-С^Н^; 37.0 мас. % С12Н24 и имеет температуру кристаллизации 20.4°С. Фазовая диаграмма системы

70

представлена пятью полями: выше ликвидуса аеЪ - Ж; ниже линии ликвидуса Ж + а-н-С^Н40; Ж + р -н-С^Н40; Ж + н-С12Н24; ниже линии ликвидуса - а-н-С^Н40 + С12Н24. Поля соприкасаются по трём линиям моновариантных состояний: линия ар: Ж и Р-н-С^Н40; ре: Ж и а-н-С^Н40; линия еЪ: Ж и С12Н24. Линии моновариантных равновесий пересекаются с линией трёхфазного нонавариантного равновесия в точке, отвечающей составу жидкой фазы двойной эвтектики

(Ж и

а-н-С19Н40 + С12Н24).

60

о

50

го ^

Й 40

ф с

2 au

30 F

Ж

a/ß-н-С 19Н

Ж + ß-н-С 19Н Ж + а-н-С

40 С1 О 20

10

е(20,40)

а-н-С 19Н40 + С12Н 2

20

40

60

80

н-С1д Н40 С12 Н24

Содержание С12 Н24, мае. %

Фазовая диаграмма системы н-нонадекан - циклододекан Растворимость компонентов системы н-С19Н40 - С12Н24

Содержание, мас.% Температура, °C

С19Н40 С12Н24

100.0 0.0 31.5

90.0 10.0 29.4

80.0 20.0 27.2

75.0 25.0 23.1

70.0 30.0 22.1

65.0 35.0 21.3

63.0 37.0 20.4

60.0 40.0 23.0

55.0 45.0 27.4

45.0 55.0 35.1

40.0 60.0 38.4

10.0 90.0 51.0

0.0 100.0 62.0

1. Система н-нонадекан-циклододекан относится к системам эвтектического типа, сплав эвтектического состава содержит 63.0 мас. %

н-С19Н40, 37.0 мас. % С^Н^ и имеет температуру кристаллизации 20.4°C.

2. Сплав. отвечающий эвтектическому составу в исследованной системе, может быть использован в качестве среднетемпературного теплоносителя в гелиоэнергетике и теплоэнергетике.

Список литературы

1. Рид Р., Праусниц Дж,. Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей : справ. пособие. Л. : Химия, Ленингр. отд-ние, 1982. 592 с.

2. Гаркушин И. К., Колядо А. В., Дорохина Е. В. Расчёт и исследование фазовых равновесий в двойных системах из органических веществ. Екатеринбург : УрО РАН, 2011. 191 с.

3. Wurflinger A., Schneider G. M. Investigation of the Rotational Transition of several n-alkanes // Berichte der Bunsengesellschaft. 1973. Bd. 77, № 2. S. 121.

4. Мощенский Ю. В. Дифференциальный сканирующий калориметр ДСК-500 // Приборы и техника эксперимента. 2003. № 6. С. 143-144.

Химия

137