Вязкость жидкой серы и бинарной системы сера-иод в диапазоне температур 350+1000 К тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ

Глава I. ОБЗОР ЭКСПЕИШЕНТАЛЬНЫК РАБОТ ПО ВЯЗКОСТИ

ШДКОЙ СЕРЫ И ВЫБОР МЕТОДА ИССЛЕДОВАНИЯ.

§ I-I. Вязкость жидкой серы.

§ 1-2, Вязкость серы с добавками йода

§ 1-3. Выбор метода исследования

Глава 2. КОНСТРУКЦИЯ ДОТАЙ)™ И МЕТОДИКА ЖСПЕБШЕНТА.

§ 2-1. Конструкция рабочего участка вискозиметра

§ 2-2. Анализ работы вискозиметра

§ 2-3. Тарировка вискозиметра

§ 2-4. Заполнение рабочего участка исследуемым веществом.

§ 2-5. Схема экспериментальной установки.

Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЯЗКОСТИ

ШДКОЙ СЕРЫ В ДИАПАЗОНЕ ТЕМПЕРАТУР 360-1000 К.

§ 3-1. Подготовка к эксперименту.

§ 3-2. Вязкость серы в диапазоне температур 359:4??.?. ^

§ 3-3. Влияние термической предыстории на свойства серы.

§ 3-4. Вязкость серы при температуре выше 580 К.

Анализ полученных данных

Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЯЗКОСТИ

БИНАРНОЙ СИСТЕМЫ СЕРА - ЙОД.

§ 4-1. Фазовое равновесие в системе сера - йод.

§ 4-2 • Экспериментальное исследование фазового равновесия в сере с добавкой 3,6 % йода •••

§ 4-3. Вязкость бинарной системы сера - йод.

Анализ полученных данных.

ВЫВОДЫ

Исследование свойств серы представляет большой практический и научный интерес.

Это связано с расширяющимся^ кругом задач, в которых прямо или косвенно приходится иметь дело с серой. Например, в последние годы наблюдаются большие изменения в области получения серы, Природные запасы самородной серы, подобно запасам других важнейших ископаемых, начали заметно истощаться. В то же время было зафиксировано, что огромное количество серы выбрасывается в атмосферу с отходящими газами промышленных предприятий. В значительных количествах сера часто содержится в рудах цветных металлов, в нефти, в природном газе и существенно затрудняет технологическую переработку промышленно важного сырья. В настоящее время улавливание этой, так называемой попутной серы, представляет собой важную экономическую и экологическую проблему.

Традиционно сера используется как важнейшее сырье в химической промышленности. Сера применяется в производстве 88 из 150 важнейших химических продуктов, определяющих промышленный потенциал государства.

В последние годы во многих областях промышленности, в таких как энергетика, космическая техника, радиоэлектроника, химическая технология находят все более широкое применение тепловые трубы, представляющие собой высокоэффективные тепло-передающие устройства. Использование тепловых труб дает возможность создавать принципиально новые аппараты и усовершенствовать теплопередавдие узлы в существующих энергоустановках.

Основной задачей при проектировании тепловых труб является выбор соответствующего теплоносителя. В качестве теплоносителей, в зависимости от уровня температур, на котором работает тепловая труба, используются различные вещества: вода, органика, жидкие металлы.

Несмотря на широкий спектр применяемых веществ, на сегодняшний день практически отсутствует приемлемый теплоноситель для промышленно важного диапазона температур 600 - 900 К,соответствующего температурному уровню вторичных энергоресурсов в энергетике, черной и цветной металлургии, о более полной утилизации которых говорится в "Основных направлениях развития народного хозяйства СССР на 1980 - 1985 годы", принятых ХХУ1 съездом КПСС. Поэтому создание тепловых труб для указанного интервала температур является важной народнохозяйственной задачей.

Чешские исследователи предложили в качестве теплоносителя для тепловых труб в диапазоне температур 600 - 900 К использовать серу. К достоинствам серы относятся ее доступность (сера является одним из самых распространенных элементов в природе), сравнительно низкая стоимость. Сера малотоксична, не подвержена термическому разложению и мало чувствительна к ионизирующему излучению, что позволяет использовать ее в атомных реакторах.

Применение серы в качестве теплоносителя осложняется аномальным поведением вязкости жидкой серы.

Кольцевые молекулы которых состоит расплав серы вблизи точки плавления ( ~ 392 К), при температуре 432 К разрываются и соединяются в длинные полимерные молекулы ^^ . Полимеризация отражается на всех свойствах серы, особенно это проявляется в поведении вязкости расплава.

Вязкость жидкой серы от точки плавления до температуры 428 К убывает, а в интервале температур 432 - 460 К возрастает приблизительно на четыре порядка. Дальнейшее повышение температуры приводит к постепенному снижению вязкости, однако даже в области высоких температур вязкость расплава остается аномально высокой.

Вязкость серы можно существенно снизить внесением в расплав некоторых добавок. Наиболее сильное влияние на вязкость оказывают галогены. Это обстоятельство делает перспективным использование в тепловых трубах серы, легированной галогенами. Внедрение подобных труб в промышленность ограничивается из-за недостатка сведений о свойствах серы и бинарных систем на ее основе в широком интервале температур. Данные по вязкости при температурах выше 580 К в литературе отсутствуют.

Научный интерес, который представляет исследование серы, в основном определяется аномальным поведением ее свойств в широком диапазоне параметров состояния.

Полимеризация расплава жидкой серы при температуре 432 К не имеет аналогий среди простых жидкостей и классифицируется как фазовый переход закритического типа. По форме кривой теплоемкости в окрестности температуры 432 К фазовый переход называется также JV - переходом.

Сера является единственным элементом, способным образовывать широкий спектр молекул, от 5$. ПРЕ высоких температурах до о,0б в области максимума вязкости.

Сера имеет самую широкую область жидкого состояния.

В настоящее время сера является самым высокотемпературным сверхпроводником.

Целью данной работы является измерение вязкости серы и направленное изменение этой величины путем введения в серу малых добавок галогенов. Исследование проведено в широком интервале температур, включающем область метастабильного состояния, окрестность точки Д,- перехода и высокие температуры. В качестве галогена использовался йод. Этот выбор сделан потому, что йод известен как единственный из галогенов, не образующий с серой прочных химических соединений.

Поскольку механизм полимеризации серы носит универсальный характер, информация о поведении вязкости серы и ее растворов монет служить фактическим материалом для понимания процессов, происходящих в подобных системах и для моделирования явлений в теории фазовых переходов и теории полимеризации.

Работа выполнена в отделе № 6 Института высоких температур АН СССР в соответствии с Координационным планом НИР АН СССР по комплексной проблеме "Теплофизика" на I98I-I985 гг. (задание I.9.I.I-).

Работа состоит из четырех глав, в которых рассматриваются следующие вопросы.

В первой главе дается обзор известных литературных данных по вязкости элементарной серы и серы с добавками йода. На основе проведенного анализа результатов с учетом физико-химических свойсте изучаемых систем обосновывается выбор метода исследования.

Во второй главе приведены схема вискозиметра, описание установки и методика эксперимента. Там же анализируются возможные погрешности, которые необходимо принимать ео внимание при работе с капиллярными вискозиметрами данной конструкции.

В третьей главе излагаются результаты исследования вязкости чистой серы. Дан анализ погрешностей.

В четвертой главе приведены результаты исследования вязх/ кости серы с добавками 0,9; 3,6; и 8,9 % йода. Рассмотрено фазовое равновесие в бинарной системе сера - йод.

В Заключение приведены выводы, сделанные по результатам работы.

Приложения содержат:

1) акты о внедрении научных результатов; I

2) паспортные характеристики градуирогочных жидкостей;

3) таблицы данных по фазовому равновесию системы сера -йод;

4) проект таблицу рекомендуемых данных по вязкости жидкой серы и серы с добавками йода в интервале температур 350 + 1000 К.

Концентрации заданы в весовых процентах, за исключением случаев, оговоренных особо.

ВЫВОДЫ

I* На основании обзора известных работ показана необходимость дальнейших исследований коэффициента динамической вязкости жидкой серы и бинарной системы сера - йод; выбран метод исследования.

2. Предложена конструкция герметичного капиллярного кварцевого вискозиметра, который позволяет работать с химически активными веществами в области высоких температур при давлении насыщенных паров до нескольких десятков атмосфер. Проведен анализ работы вискозиметра»

3. Произведена тарировка вискозиметра, по жидкостям, аттестованным во Всесоюзном научно-исследовательском институте метрологии им. Д.И. Менделеева.

Вискозиметр позволяет получать данные с точностью около I %•

1. Измерена вязкость жидкой серы в интервале температур 350 * 1000 К. Проведен анализ полученных данных.

В области метаетабильного состояния обнаружена зависимость вязкости от термической предыстории образца, что обусловлено кинетическими особенностями образования (К- компоненты в расплаве серы. Расслоение кривой вязкости достигает 15

При температурах выше 580 К данные по вязкости серы получены впервые и в настоящее время являются единственными.

5. Проведен анализ фазового равновесия в системе сера-йод. Составлена программа, позволяющая рассчитать изменение концентрации жидкой фазы в исследованном диапазоне параметров состояния.

6* Экспериментально исследовано фазовое равновесие в сере с добавкой 3,6 % йода.

Полученные данные хорошо согласуются с результатами расчета.

1Щ Измерена вязкость бинарных систем сера - йод с концентрациями 0,9; 3,6 и 8,9 % йода в диапазоне температур 350 * 900 К. Впервые проведено исследование, охватывающее широкий интервал температур.

8. Научные результаты работы используются на кафедре Теоретических основ теплотехники Московского энергетического института и в Институте тепло- массообмена имени А .В. Лыкова АН БССР.

1. gPtinjaz L. Z. Phys. Chem. 1906, B. 62, S. 609.

2. Parr C., Macleod D.B. Pros. Roy. Soc., 1920, v. 97A, p. 80.

3. Parr C., Macleod D.B. Pros. Roy. Soc. 1928, v. 118A, p. 534.4# Bacon R.P., Panelli R; J. Amer. Chem. Soc., 1943, v. 65} p.639.

4. Bacon R.P., Panelli R. Ind. Eng. Chem., 1942, v. 34, p. 1043.

5. Panelli R. J. Amer. Chem. Soc., 1945, v. 67, p. 1832.

6. Doi T. Rev. Phys. Chem. Japan, 1963, v. 33, H2, p. 41.

7. Doi T. Rev. Phys. Chem. Japan, 1962, v. 32, N7.

8. Panelli R. Ind. Eng. Chem., 1946, v. 68, p. 39.

9. Ю. Doi T. Rev. Pyys. Chem. Japan, 1965, v. 35, N1, p. 1.

10. Чурбанов М.Ф., Скрипачев И.В. В кн.: Получение и анализ веществ особой чистоты / Под ред. Девятых Г.Г. М.: Наука, 1978.

11. Тимрот Д.Л., Пелецкий В.Э., Середницкая М.А., Трактуева С.А., Медведицков А.Н., Листратов И.В. Комплексное исследованиетеплофизических свойств серы. Отчет ИВТАН, 1980, №31/80.

12. Оствальд В., Лютер Р., Друкер К. Физико-химические измерения. Т. I. Л.: ОНТИ-Госхимтехиздат, 1934, с. 50.

13. Гатчек Вязкость жидкостей. 1935.

14. Барр Г. Вискозиметрия. Л.-М.: ГОНТИ, 1938.

15. Чесноков Н.А., Тр. ВНШМ, 1959, вып. 19 79 , с. 45.

16. Степанов Л.П., Чесноков Н.А. Тр. ВНМИМ Современное состояние техники измерения вязкости. М.: Стандартгиз, 1959.

17. ГОСТ 10028-81. Вискозиметры капиллярные стеклянные. Технические условия.

18. Нисельсон Л.А., Столяров В.И., Соколов Т.Д. Журнал физической химии, 1965, т. 39, с. 3025.

19. Нисельсон Л.А., Третьякова К.В. Журнал физической химии, 1969, т.43, с. 2172.

20. Нисельсон JT.A. Журнал физической химии, 1978, т. 52, с. 1891.

21. Нисельсон Л.А. Журнал неорганической химии, 1963, т.8, с. 791.

22. Wheeler J.С., Kennedy S.J., Pfeuty P. Phys. Rev. Lett.,24 1980, v. 45, N22, p. 1748.

23. Онион П. В кн.: Вязкоупругие свойства полимеров / Под ред. Ферри Дж. М.: Издатинлит, 1963.

24. Saita Т. J. Phys. Et Scintific Instrum. 1976, v. 9. p.1128.

25. Степанов Л.П., Стульгинская И.А. Тр. ВНИИМ, 1962, вып.62 788 , с. 5.

26. Hardy R.C. Nat. Bur. StanD.(U.S.), Monogr., 1962, N55;28Holcomb L.A. Instruments and Control Systems, 1964, v. 37, N 2, p. 109.

27. Степанов Л.П., Стульгинская И.А., Чесноков Н.А. Тр. ВНИИМ, 1962, вып. 62 788 , с. 29.

28. Wheeler J.C., PFeuty P. Phys. Rev. A 24, 1981, p. 1050.

29. Тимрот Д.Л., Трактуева C.A., Алексеев Б.А. Теплофизика высоких температур, 1983, 21, ы 5, с. 884.

30. ГОСТ 8. 265-77. Вискозиметры капиллярные стеклянные. Методы и средства поверки.

31. Рабинович С.Г. Погрешность измерений. Л.: Энергия, 1978.

32. Рабинович С.Г. Метрология, 1970, $ I, с. 3.

33. Тимрот Д.Л., Середницкая М.А., Медведицков А.Н. Теплофизика высоких температур, 1985, т. 23, с.

34. Тимрот Д.Л. Середницкая М.А., Медведицков А.Н. Теплофизика высоких температур, 1984, т. 22, с. 287.

35. Kellas А.М; J. Chem. Soc., 1918, v.113, p. 903.

36. Matson R.P. In: W.N.Tuler The Sulphur Data Book. N.Y.:1954.39; Steudel R. Z. Anorg. Allg. Chem., 1981, B. 478, S. 139.

37. Steudel R., Mausle H.-J. Z. Anorg. Allg. Chem., 1981, B. 478, S. 156.

38. Mausle H.-J., Steudel R. Z. Anorg. Allg. Chem., 1981, Б. 478, S. 177.

39. Gernez M.D. Compt. rend., 1876, v. 82, p. 115.

40. Кириллин В.А., Шейндлин A.E., Шпильрайн Э.Э. Термодинамикарастворов. М.: Энергия, 1980.

41. Meyer Б. Chem. Rev. 1976, v. 76, p. 367, И 3.

42. Aten A.W.H. Z. Physik. Chem. 1914, B. 88 , S. 321.

43. Krebs H. Z. Naturforsch., 1957, B. 12, s. 785.

44. Schenk J. Physika, 1957, v. 23, p. 325.

45. Schenk J. Physika, 1957, v. 23, p. 546.

46. Schenk P.W.? Thumml er U. 2. Electrochem., 1959, B. 63, S.1002

47. Wiewiorowski Т.К., Touro F.J. J. Phys. Chem., 1966, v. 70, p. 3528.

48. Semlynn J.A. Polymer, 1971, v. 12, p. 383.

49. КгеЪэ К., Beine H. Z. Anorg. Allg. Chem., 1967, B. 355, S. 113.

50. Semlyen J.A. Trans. Faraday Socf, 1868, v.64, p. 1396.

51. Harris R.E. J. Phys. Chem., 1970, v. 74, p. 3102.

52. Wiewiorowski Т.К., Parthasathy A., Slaten B.L. J. Phys. Chem., 1968, v. 72, p. 1890.

53. Kennedy SjJ. Wheeler J.C. J. Chem. Phys., 1983, v.78, N 3, p. 1523.

54. Rau H., Kuti?y T.R.N.t Guedes de Carvalho J.R.F. J. Chem. Termodynamics, 1973, v. 5, N 2, p? 291.

55. West J.R. Ind. Eng. Chem., 1950, v.42, p. 743.

56. Денисова Л.Ф. Журнал неорганической химии,1956, т7 I, М, с.75£

57. Нисельсон Л.А., Баяло Ю.П., Третьякова К.В. Неорганические материалы, 1974, т. 10, $ 5, с. 840.

58. Тимрот Д.Л., Середницкая М.А., Медведицков А.Н. Вязкость жидкой серы и бинарной системы сера иод . Отчет ИВТАН

59. Нраузниц Дж.М., Эккерт К.А., Орай Р.В., О'Коннел Дж.П. Машинный расчет парожидкостного равновесия многокомпонентных систем. М. : Химий, I971.

60. Horvath A.L. Physical propertes of inorganic compaunds. London: 1$75.

61. Glew D.U., Hildebrand J.H. J. Phys. Chem., 1956, v. 60, К 5, p. 616.

62. Hildebrand J.H., Scott R.L. The Solubility of Non-Electrolytes. N.Y.: 1964.

63. Химический энциклопедический словарь, Гл. ред. Кнунянц И.Л.-М.: Сов. Энциклопедия, 1983.

64. Коростелев П.П. Реактивы и растворы в металлургическом анализе. М.: Металлургия, 1977.

65. Timrot D.L., Serednitskayy М.А., Medved itskov A.N., Trak-tueva S.A. Heat Recivery System, 198t, v. 1, P p.309.

66. Gee G. Trans. Faraday Soc., 1952, v. 48f p. 515.

67. Gee G. Sci. Prod., 1955, v. 170, p. 193.

68. Pairbrathen P., Gee G., Merral G. J. Pol ym. Sci., 1959, v. 16, p. 459.

69. Tobolsky A.V., Eisenberg A. J. Amer. Chem. Soc., 1959, v. 81, p. 780.

70. Tobolsky A.V., Eisenberg A. J. Amer. Chem. Soc., 1960, v. 82, p. 289.

71. Poulis J.A., Massen C.H., Eisenberg A., Tobolsky A.V. J. Алшг. Chem. Soc., 1965, v.87, N 3, p. 413#76; Kennedy S.J., Wheeler L.C., Wasserman E. J. Phys. Chem., 1983, v. 87, N 20, p. 3961.

72. Нисельсон Л.А., Балло Ю.П., Третьякова К.В. В сб.:Теплофизи-ческие свойства веществ и материалов, 1983, вып.18, с.82.