USING PREDICTION PHASE EQUILIBRIA IN THREE-COMPONENT SYSTEMS FOR OPTIMIZATION OF DEVELOPING NEW HEAT TRANSFER AND HEAT-RETAINING MATERIALS

Full Text

В настоящее время все более широкое применение в промышленности находят теплоносители и теплоаккумулирующие материалы на основе композиций из предельных углеводородов, в том числе и алканов нормального строения. Разработка новых теплопередающих и теплоаккумулирующих материалов приводит к необходимости изучения фазовых равновесий в системах различной мерности. Как известно, трудоемкость при исследовании фазовых равновесий многократно возрастает с увеличением мерности системы, поэтому актуальной является задача по разработке методов расчета температур плавления и составов эвтектик [3-5]. При выборе новых объектов достаточно трудно оценить один из значимых параметров системы - межмолекулярное взаимодействие между ее отдельными компонентами. Существующие корреляции на основе современных моделей UNIFAC, ASOG и др., как правило, показывают недостоверные результаты в области отрицательных температур [1], т. к. параметры межмолекулярного взаимодействия этих моделей определены для температур более 293 К. С использованием данных по индивидуальным компонентам системы и математического аппарата, разработанного в рамках теории идеальных растворов [2], предложен следующий метод расчета фазовых равновесий в трехкомпонентных системах, индивидуальные компоненты которых в рассматриваемой области температур не претерпевают полиморфных превращений. Для определения температуры плавления эвтектики Te в трехкомпонентной системе минимизировалась целевая функция , где mHi - энтальпия плавления компонента i, Дж/моль; Ti - температура плавления компонента i, К; R - универсальная газовая постоянная, Дж/(мольК). Мольная доля компонента j в сплаве эвтектического состава определялась из соотношения . Результаты расчета для трехкомпонентных систем н-С14Н30 - н-С20Н42 - С12Н24 и н-С14Н30 - н-С20Н42 - С2Cl4 приведены в табл. 1. Таблица 1 Расчетные данные для сплавов эвтектического состава в системах н-С14Н30 - н-С20Н42 - С12Н24 и н-С14Н30 - н-С20Н42 - С2Cl4 Содержание компонентов в сплаве эвтектического состава Температура плавления TЭ н-С14Н30 н-С22Н46 С12Н24 С2Cl4 мол. % мас. % мол. % мас. % мол. % мас. % мол. % мас. % К С 63,57 65,71 3,95 5,81 32,48 28,48 - - 272,66 -0,49 7,83 9,19 0,23 0,38 - - 91,94 90,43 246,68 -26,47 Данные по двухкомпонентным системам, входящим в исследуемые трехкомпонентные системы, были ранее получены авторами и опубликованы в работах [1, 6-9]. Экспериментальные исследования фазовых превращений в системах проводили проекционно-термографическим методом [3, 5] с использованием микрокалориметра теплового потока [10]. В трехкомпонентных системах были исследованы политермические разрезы АВ, СD (рис. 1) и FG, KM (рис 2). По данным термического анализа изученные системы относятся к системам эвтектического типа. В системе н-С14Н30 - н-С20Н42 - С12Н24 сплав эвтектического состава содержит 70,0 мас. % н-С14Н30; 2,3 мас. % н-С20Н46; 27,7 мас. % С12Н24 и кристаллизуется при температуре -1,8 C; в системе н-С14Н30 - н-С20Н46 - С2Cl4 эвтектический состав кристаллизуется при температуре -25,4 C и содержит 9,5 мас. % н-С14Н30; 0,3 мас. % н-С20Н42; 90,2 мас. % С2Cl4. Рис. 1. Фазовая диаграмма системы н-С14Н30 - н-С20Н42 - С12Н24 Рис. 2. Фазовая диаграмма системы н-С14Н30 - н-С20Н42 - С2Cl4 Таблица 2 Расчетные характеристики сплавов эвтектического состава Расчетные данные для сплава эвтектического состава Экспериментальные данные для сплава эвтектического состава Содержание компонента, мас. % tе, С Содержание компонента, мас. % tе, С С14Н30 С20Н42 С12Н24 С2Cl4 С14Н30 С20Н42 С12Н24 С2Cl4 65,71 5,81 28,48 - -0,49 70,0 2,3 27,7 - -1,8 9,19 0,38 - 90,43 -26,47 9,5 0,3 - 90,2 -25,4 Анализ полученных расчетных и экспериментальных данных, представленных в табл. 2, показывает, что прогнозирование фазовых равновесий в системах с участием н-тетрадекана, н-эйокозана, циклододекана и тетрахлорэтилена возможно с помощью математического аппарата, разработанного в рамках теории идеальных растворов. Разработанный метод прогноза позволяет оптимизировать поиск и разработку новых теплопередающих и теплоаккумулирующих материалов. Выводы: 1. Система н-тетрадекан - н-эйокозан - циклододекан относится к системам эвтектического типа, сплав эвтектического состава содержит 2,3 мас. % С20Н46; 70,0 мас. % С14Н30; 27,7 мас. % С12Н24 и имеет температуру кристаллизации -1,8 °C. 2. Система н-тетрадекан - н-эйокозан - тетрахлорэтилен относится к системам эвтектического типа, эвтектика кристаллизуется при температуре -25,4 °C и содержит 0,3 мас. % С20Н46; 9,5 мас. % С14Н30; 90,2 мас. % С2Cl4. 3. Сплавы, отвечающие эвтектическим составам в системах н-С14Н30 - н-С20Н46 - С12Н24 и н-С14Н30 - н-С20Н46 - С2Cl4, могут быть использованы в качестве среднетемпературного теплоносителя гелиоэнергетических установок с температурой эксплуатации от 0 до 240 °С и от -25 до 120 °С соответственно. 4. Предлагаемый метод прогнозирования фазовых равновесий в трехкомпонентных системах эвтектического типа может быть использован для оптимизации поиска и разработки новых теплопередающих и теплоаккумулирующих материалов.

About the authors

Ivan K Garkushin

Samara State Technical University

Email: baschem@samgtu.ru. ivan_9687@mail.ru
(Dr. Sci. (Chem.)), Professor. 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russia

Alexander A Shamitov

Samara State Technical University

Email: baschem@samgtu.ru. ivan_9687@mail.ru
Postgraduate Student. 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russia

Ivan A Zhuravlev

Samara State Technical University

Email: baschem@samgtu.ru. ivan_9687@mail.ru
Postgraduate Student. 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russia

Alexander V Kolyado

Samara State Technical University

Email: baschem@samgtu.ru. ivan_9687@mail.ru
Postgraduate Student. 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russia

References

Supplementary files