Способ определения сжимаемости жидкости и устройство для его осуществления

Изобретение относится к области исследования жидкостей и может быть использовано для определения сжимаемости жидкостей в широком интервале давлений и температур. Сущность: заполняют систему гидравлической жидкостью. Термостатируют при выбранной температуре. Создают заданное высокое давление в системе. Определяют зависимость массы от давления путем измерения массы вытекшей из системы гидравлической жидкости при контролируемом сбросе давления. Повторяют эту процедуру с использованием жидкости с известным значением сжимаемости. Определяют плотность гидравлической жидкости в исследуемом интервале давлений. Повторяют эту процедуру для исследуемой жидкости с неизвестным значением сжимаемости, рассчитывают для нее зависимость сжимаемости от давления. Устройство для реализации способа состоит из полого цилиндра с крышкой в верхней части, сифоном и ртутным затвором в нижней части. Ртутный затвор разделяет объем цилиндра на объем для исследуемой жидкости и объем для гидравлической жидкости. Объем для гидравлической жидкости соединен системой капиллярных трубок через кран с компрессором, с манометром и клапаном для сброса давления. Клапан для сброса давления соединен с капиллярной трубкой, свободный конец которой расположен над емкостью для сбора гидравлической жидкости, установленной на весах. Технический результат: повышение точности и оперативности измерений. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к области физической химии, к разделу термодинамики жидких систем, и может быть использовано для определения сжимаемости жидкостей в широком интервале давлений и температур.

Надежных данных о сжимаемости жидкостей в интервале температур и давлений недостаточно [J.A.Riddick, W.В.Bunger and Т.К.Sakano. Techniques of Chemistry. II. Organic Solvents. Wiley & Sons, New York-Chichester-Brisbane-Toronto-Singapore, 1986]. Сжимаемость, отражающая баланс энергий межмолекулярного притяжения и отталкивания, не удается рассчитать по другим физическим константам веществ, поэтому есть потребность в прямом экспериментальном измерении этой характеристики. Она в значительной степени определяет изменение парциального мольного объема соединений в разных средах, величину электрострикции в растворах электролитов, изменение при повышенном давлении таких параметров как диэлектрическая проницаемость, показатель преломления, вязкость, а также изменение объема активации, объема реакции и эффекта ускорения реакции под давлением.

Известны различные приемы измерения сжимаемости жидкости при повышенном давлении, которые условно можно разделить на три группы:

1) способы с применением пьезометров постоянной емкости; 2) способы с применением пьезометров переменной емкости и 3) способы гидростатического взвешивания. В первой группе измерения связаны с наблюдением за изменением объема ртути в капилляре при сжатии экспериментальной жидкости, либо по изменению сопротивления платинового провода, размещенного внутри такого капилляра. Разработаны пикнометры с внутренним капилляром, через который вдавливаются капельки ртути при выравнивании давления внутри пьезометра [Е.Whalley, 'The compression of liquids', in Experimental Thermodynamics, Vol. II, IUPAC, Butterworth, London (1975); N.S.Isaacs "Liquid Phase High Pressure Chemistry", Wiley, Chichester, New York, Brisbane, Toronto, 1981; Д.С.Циклис. "Техника физико-химических исследований при высоких и сверхвысоких давлениях», Изд-во «Химия», М., 1976, с.366].

Ко второй группе можно отнести способы, основанные на слежении за положением поршня в цилиндре с жидкостью, движение которого дублирует перемещение платиновой проволоки по фиксированному контакту. Сюда же относятся измерения сжатия запаянного сильфона с жидкостью [П.В.Бриджмен. Новейшие работы в области высоких давлений. ИЛ, М., 1948, 299 с.; L.A.Davis, R.B.Gordon, Journal of the Chemical Physics, 1967, vol. 46, 2650]. Зависимость скорости звука от изменения плотности жидкости, индуцированного высоким давлением, лежит в основе надежных расчетов адиабатической сжимаемости жидкости. Однако применение этих данных для расчета изотермической сжимаемости при выбранных условиях - давлении (Р) и температуре (Т) требует знания плотности, коэффициента термического расширения и изобарной теплоемкости жидкости в этих условиях.

Первый и второй способы требуют учета объемной деформации рабочих сосудов, что связано со значительными трудностями. Известен способ прямого гидростатического взвешивания непосредственно в жидкости в условиях высокого давления [Д.С.Циклис. "Техника физико-химических исследований при высоких и сверхвысоких давлениях», Изд-во «Химия», М., 1976, с.373], где разные объемы одинаковых по весу стального и дюралюминиевого шаров на равноплечевом коромысле уравновешены в рабочей жидкости при атмосферном давлении и весы вставлены в канал цилиндра высокого давления. Повышение плотности жидкости с ростом давления определяется весом дополнительного грузика, добавляемого через специальное отверстие. Этот способ свободен от проблем объемной деформации цилиндра высокого давления, но требует учета деформации шаров и грузика. Как и все измерения с одноразовой заправкой этот способ обладает чрезвычайно низкой производительностью. В ряде работ проведен критический анализ явных и скрытых ошибок при получении данных о сжимаемости [A.T.J.Hayward // J.Phys. (D), Appl. Phys., 1965, v. 4, 951; G.S. Kell, E. Whalley // Phyl. Trans. 1965, v. 258, 566].

Задачей данного изобретения является создание нового, достаточно быстрого и точного способа определения сжимаемости жидкости и устройства для его осуществления, расширяющих ассортимент известных способов и устройств для определения сжимаемости жидкости.

Задача решается тем, что в предлагаемом способе определения сжимаемости жидкости используется равенство объемов сжатия и расширения.

Технический результат изобретения заключается в определении различия сжимаемости исследуемой жидкости относительно известной сжимаемости эталонной жидкости в системе постоянного объема, что позволяет исключить необходимость определения изменения объемов в других частях системы, в том числе и деформации системы.

Технический результат достигается заявляемым способом определения сжимаемости жидкости и устройством для его осуществления.

Заявляемый способ определения сжимаемости жидкости включает заполнение системы гидравлической жидкостью, термостатирование при заданной температуре, создание заданного высокого давления в системе, определение зависимости массы от давления путем измерения массы вытекшей из системы гидравлической жидкости при контролируемом сбросе давления, повторение этой процедуры с использованием жидкости с известным значением сжимаемости, определение плотности гидравлической жидкости в исследуемом интервале давлений, повторение этой процедуры для исследуемой жидкости и определение ее плотности и сжимаемости.

Устройство (показано на фиг.1) содержит толстостенный термостатируемый полый цилиндр 5 с крышкой в верхней части, с сифоном 4, и ртутным затвором 2 в нижней части, разделяющим гидравлическую жидкость (ГЖ) в объеме 1 и исследуемую жидкость в объеме 3. Объем 1 цилиндра 5 соединен системой капиллярных трубок с манометром 10, компрессором 6 (через кран 11) и клапаном 7 для сброса давления (например, игольчатым клапаном), последний соединен с капиллярной трубкой, свободный конец которой расположен над емкостью 9 для сбора гидравлической жидкости, установленной на весах 8.

Устройство может содержать один (или более) дополнительный толстостенный термостатируемый цилиндр 13 с рабочим объемом 12, соединенный с цилиндром 5 капиллярной трубкой, закрепленной в крышках цилиндров 5 и 13 (показано на фиг.2). Цилиндр 13 вводится в устройство для повышения точности измерений сжимаемости жидкости. Введение следующих дополнительных цилиндров, соединенных так же, как цилиндры 5 и 13, приводит к увеличению точности измерений, однако уже в меньшей степени, чем введение первого дополнительного цилиндра 13.

Цилиндры 5 и 13, а также все капиллярные трубки выполнены из нержавеющей стали.

Работа заявляемого устройства показана на примере устройства с дополнительным цилиндром, работа устройства без дополнительного цилиндра аналогична, только при расчетах не учитывается дополнительный объем 12.

Устройство работает следующим образом.

Определяют все исходные значения объемов при заполнении устройства.

В первом цикле измерений рабочие объемы (3 и 12) заполняют гидравлической жидкостью, в качестве которой может быть использовано, например, чистое дегазированное вакуумное масло. Цилиндры 5 и 13 помещают в термостат (±0.05°С). С помощью масляного компрессора 6 создают заданное давление, например порядка 1000-2000 бар, закрывают кран 11 и выдерживают систему для выравнивания температуры (около 1 ч). Затем клапаном 7 для сброса давления в системе медленно (около 3 бар/мин) снижают давление, и гидравлическую жидкость направляют с помощью капиллярной трубки в емкость 9, расположенную на весах 8, и определяют массу выведенной из системы ГЖ в желаемом контролируемом интервале падения давления. Возвращение системы к рабочей температуре (≈10-15 мин) после сброса давления определяют по постоянству показаний манометра 10.

Поскольку объем сжатия всех жидкостей в системе равен объему расширения при сбросе давления, следует:

где m1,p - определяемая взвешиванием масса ГЖ, выведенная из системы при полном сбросе давления (Р),

dp - плотность ГЖ при давлении (Р) и температуре (Т),

Δv1,p и Δvсар.,р - сжатие ГЖ в объеме 1 и в наружных капиллярных трубках,

Δv2,p - сжатие ртути в объеме 2,

Δv3,р и Δv12,p - сжатие ГЖ в объемах 3 и 12,

Δvdef.,p - объем деформации системы под давлением.

Во втором цикле измерений объемы 3 и 12 заполняют бидистиллированной водой и проводят измерения аналогично первому циклу. В этом случае объем расширения всех жидкостей в системе при уменьшении давления определяется соотношением (2):

где Δv3,р и Δv12,p - сжатие воды в объемах 3 и 12 при давлении (Р).

Сжимаемость жидкости можно определить по изменению объема или плотности (3):

поэтому задача сводится к определению величины ΔV либо к определению величины dp в выбранном интервале давлений. Величина Δvdef.,p включает в себя упругое изменение объема всех частей системы при повышении давления и является наиболее трудно определяемой. В заявляемом способе ее определение не является обязательным, поскольку при вычитании соотношения (2) из соотношения (1) следует:

Для нахождения зависимости плотности ГК (dp) от давления (Р) с помощью соотношения (4) необходимо иметь в выбранном температурном интервале экспериментальные данные о зависимостях (mp-P) при загрузке в объемы (3+12) ГЖ и при загрузке воды. При рассмотрении сжимаемости равных исходных объемов (V0) воды и ГЖ, и с учетом:

следует:

где d0 и dp - плотность ГЖ при атмосферном и повышенном давлении Р.

После преобразования уравнения (5) и с учетом равенства V0·d0,гж0,гж, следует:

где М0,гж - масса ГЖ с известным объемом V0, равным объему воды при атмосферном давлении и заданной температуре.

Прецизионные данные о сжимаемости воды в широком интервале температур и давлений приведены в ряде работ, например: [G.S.Kell, E.Whalley // Phyl. Trans.1965, v. 258, 565-617; G.S.Kell, G.E.McLaurin, E. Whalley//Proc. R. Soc. Lond. A, 1989, V. 425, 49-71]. Определив значения объема воды в интервале давлений (VpВОДА) с учетом ее объема при атмосферном давлении (V0ВОДА), можно рассчитать значение dp,гж для выбранного интервала давлений и температур.

Последующие измерения (третий цикл) можно проводить для любой жидкости (S), помещаемой в объемы (3 и 12) устройства.

Аналогичное сопоставление приводит к соотношению (7):

В уравнении (7) V0,гж и V0,S - равные объемы ГЖ и исследуемой жидкости (S) при атмосферном давлении и выбранной температуре, d0 и dp - плотности при атмосферном и повышенном давлении для ГЖ и исследуемой жидкости (S).

В уравнении (7) искомое значение dp,S можно рассчитать из экспериментальных данных (mгж/гж - Р) и (mгж/s - P), и из найденной выше зависимости плотности от давления для гидравлической жидкости.

В таблице приведены экспериментальные данные, полученные при определении сжимаемости (ΔV/V0=F(P)) толуола при 20°С заявляемым методом.

В колонках 2-4 таблицы приведены значения m1, m2, m3 - массы гидравлической жидкости (в граммах), введение которой создает в системе давление (Р, колонка 1) при наличии в объемах (3+12) ГЖ (m1), воды (m2) или толуола (m3); в колонке 5 приведено экспериментальное различие в выведенных из системы массах при заполнении в объемы (3+12) ГЖ и воды (Δm1-2); значение объема воды при повышенном давлении (Vp вода, см3) приведено в колонке 6; рассчитанные значения плотности для ГЖ (dp (ГЖ), г/см3) собраны в колонке 7; в колонке (8) приведены различия в массах при сравнении ГЖ и толуола (Δm1-3); в колонке 9 приведены значения плотности толуола (dр,толуол, г/см3), рассчитанные с помощью уравнения (7); в колонке 10 приведены данные о сжимаемости толуола (ΔV/V0) при 20°С в изученном интервале давлений. Высокая чувствительность и воспроизводимость экспериментальных данных при контролируемом сбросе давления обусловлена достаточно большой массой гидравлической жидкости, вытекающей из системы в емкость 9 [(3-7)±0.001 г, в зависимости от природы S]. Ошибка измерений сжимаемости не превышает±0.3% (фиг.3) и может быть уменьшена повышением уровня термоконтроля, измерений массы и давления.

На фиг.3 сплошной линией описаны литературные данные прецизионных измерений сжимаемости толуола при 20°С [N.S.Isaacs "Liquid Phase High Pressure Chemistry", Wiley-Chichester-New York-Brisbane-Toronto, 1981, p.66], а точки (□) соответствуют данным измерений, полученным заявляемым способом (Таблица). Сопоставление этих кривых (ΔV/V - Р) дает линейную зависимость с угловым коэффициентом 1.00304, R=0.999985, N=30, что свидетельствует о высокой точности заявляемого способа определения сжимаемости жидкостей.

Предлагаемый способ определения сжимаемости жидкости, основанный на расчете сжимаемости исследуемой жидкости относительно известной сжимаемости другой жидкости (например, воды), исключает необходимость определения изменения объемов в других частях системы, в том числе и деформации системы. Способ обладает высокой точностью, легкостью расчета, дает хорошо воспроизводимые результаты, а устройство для осуществления этого способа достаточно простое, надежное и позволяет проводить измерения с удобной скоростью.

ТАБЛИЦА 1
Экспериментальные данные для определения сжимаемости толуола при 20°С при избыточном давлении
Р, барm1, гm2m3, гΔm1-2, гVp водаdp ГЖΔm1-3, гdp толуол, г/см3ΔV/V0 толуол
12345678910
0000082.5230280.88310.0000.86680.00000
500.2830.2320.3810.05182.3352870.88580.0970.87050.00431
1000.5610.4630.7490.09782.1503800.8830.1880.87420.00842
1500.8310.6911.1050.13981.9682200.89080.2750.87760.01235
2001.0940.9171.4490.17681.7887290.89320.3560.88100.01612
2501.3511.1411.7830.20981.6118290.89560.4320.88420.01973
3001.6021.3632.1060.23981.4374470.89790.5040.88740.02320
3501.8481.5832.4190.26581.2655110.90010.5720.89040.02652
4002.0881.7992.7240.28881.0959540.90220.6360.89340.02972
4502.3232.0143.0190.30980.9287110.90440.6970.89620.03281
5002.5532.2263.03070.32680.7637190.90640.7540.89900.03579
5502.7782.4363.5870.34280.6009200.90850.8100.90170.03867
6002.9982.6423.8610.35580.4402550.91040.8620.90430.04147
6503.2132.8464.1270.36780.2816690.91240.9130.90690.04419
7003.4253.0484.3870.37780.1251090.91430.9620.90940.04684
7503.6333.2464.6430.38779.9705240.91621.0100.91190.04943
8003.8363.4414.8930.39579.8178650.9181.0570.91430.05198
8504.0373.6335.1390.40379.6670840.91991.1030.91670.05448
9004.2333.8225.3820.41179.5181360.92171.1490.91910.05695
9504.4274.0085.6210.41979.3709770.92351.1940.92150.05940
10004.6184.1915.8580.42779.2255640.92531.2400.92390.06183

1. Устройство для определения сжимаемости жидкости, включающее полый цилиндр с крышкой в верхней части, сифоном и ртутным затвором в нижней части, разделяющим объем цилиндра на объем для исследуемой жидкости и объем для гидравлической жидкости, причем объем для гидравлической жидкости соединен системой капиллярных трубок через кран с компрессором, с манометром и клапаном для сброса давления, который соединен с капиллярной трубкой, свободный конец которой расположен над емкостью для сбора гидравлической жидкости, установленной на весах.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что может содержать один и более дополнительный цилиндр, соединенный с основным капиллярной трубкой, закрепленной в крышках цилиндров.

3. Способ определения сжимаемости жидкости с использованием устройства по п.1 или 2, включающий заполнение системы гидравлической жидкостью, термостатирование при выбранной температуре, создание заданного высокого давления в системе, определение зависимости массы от давления путем измерения массы вытекшей из системы гидравлической жидкости при контролируемом сбросе давления, повторение этой процедуры с использованием жидкости с известным значением сжимаемости, определение плотности гидравлической жидкости в исследуемом интервале давлений, повторение этой процедуры для исследуемой жидкости с неизвестным значением сжимаемости и расчет для нее зависимости сжимаемости от давления.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что в качестве гидравлической жидкости используют дегазированное вакуумное масло.

5. Способ по п.3, отличающийся тем, что в качестве жидкости с известными значениями сжимаемости используют, например, бидистиллированную воду.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения момента возникновения пробоины на крыле летательного аппарата при воздействии средств поражения.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к приборам для исследования плотности жидкостей пикнометрическим методом. .

Изобретение относится к авиационной промышленности и может быть использовано при исследовании различных летательных аппаратов в гидродинамических трубах, а также в различных отраслях промышленности народного хозяйства, где необходимо исследовать "возмущенный" поток жидкости.

Изобретение относится к авиационной промышленности и может быть использовано при исследовании различных летательных аппаратов в гидродинамических трубах, а также в различных отраслях народного хозяйства, где необходимо исследовать турбулентности жидкостей в трубопроводах или замкнутых помещениях.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к вибрационным датчикам плотности, и может быть использовано в нефтеперерабатывающей промышленности . .

Изобретение относится к физико-химическому анализу, в частности к устройствам для определения плотности жидкости манометрическим методом с температурной компенсацией.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения концентрации водных суспензий, в частности, склонных к пенообразованию,объемно-весовым методом .

Изобретение относится к изие.рительной технике и может быть использовано при исследовании плотности расплавов при высоких температурах. .

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано в нефтедобывающей и химической промьгашенностях, гидротехническом строительстве, грунтоведении и сельском хозяйстве.

Изобретение относится к технической физике, а именно к определению физико-химических параметров металлических расплавов путем измерения плотности и поверхностного натяжения неподвижно лежащей на подложке эллипсовидной капли образца расплава посредством фотоэлектронной объемометрии. Образец расплава в виде капли помещают на подложку в вакуумной камере электропечи горизонтального типа и посредством фотоприемника получают силуэт капли расплава. Перед вакуумной камерой размещают коммутируемый оптический излучатель, который включают в момент прекращения регистрации фотоприемником собственного свечения капли образца расплава во время ее охлаждения. С помощью излучателя освещают каплю расплава и по отраженному оптическому сигналу силуэта капли определяют объем и плотность капли вплоть до температуры ее остывания. Технический результат заключается в увеличении температурного диапазона измерений плотности расплава. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области оптических измерений. Дифференциальный измеритель оптической плотности жидкой среды включает светонепроницаемый корпус, излучатель света, две идентичные проточные измерительные кюветы с патрубками для ввода и вывода жидкости излучатель, оптические окна для ввода и вывода излучения, фотоприемники сигналов измерительных каналов, дифференциальный усилитель. Излучатель света изготовлен из кластера инфракрасных светодиодов, снабженного цепью автоматической регулировки уровня излучения, на основе последовательно соединенных фотодиодного приемника, усилителя импульсов, синхронного детектора и модулятора, подключенных к генератору импульсов. Технический результат - повышение эффективности работы измерителя. 2 ил.

Изобретение относится к области исследования жидкостей и может быть использовано для определения сжимаемости жидкостей в широком интервале давлений и температур

Наверх