Сапфир сотовый высокого давления для фазовых равновесий Измерения CO<sub&gt; 2</sub&gt; / Органические / Water Systems

Резюме

Аппарат высокого давления клеток сапфир является уникальным инструментом для изучения, без отбора проб, фазового поведения в широком диапазоне давлений. Использование катетометра, измерения очень точные объемные могут быть записаны для измерения жидкости расширение и фазовый состав. Таким образом, этот синтетический метод позволяет изучать (1) фазовых равновесий многокомпонентных смесей и (2) поведение разделов катализатора или модельных соединений в зависимости от давления.

Аннотация

Аппарат высокого давления клеток сапфир был построен, чтобы визуально определить состав многофазных систем без физического выборки. В частности, сапфировое клеток позволяет собирать визуальные данные из нескольких нагрузок решить набор материальных балансов, чтобы точно определить фазового состава. Схемы тройная фаза может быть создана, чтобы определить долю каждого компонента в каждом этапе при данном состоянии. В принципе, любой тройной системы могут быть изучены хотя тройные системы (газ-жидкость-жидкость) представляют собой конкретные примеры, рассмотренные в настоящем документе. Например, тройной системе ТГФ-вода-CO ₂ было исследовано при 25 и 40 ° С и описано в данном документе. Ключевое значение, этот метод не требует выборки. Обход возможного нарушения равновесия системы при выборке, присущие погрешности измерения, а также технические трудности физически выборки под давлением является существенным преимуществом этого метода. Рerhaps же важно, сапфир клеток также позволяет прямое визуальное наблюдение фазового поведения. В самом деле, как давление СО ₂ увеличивается, однородные ТГФ-вода в фазе раствора расщепляется в около 2 МПа. С помощью этого метода, можно было легко и четко соблюдайте температуры помутнения и определить состав новообразованных фаз в зависимости от давления.

Данные, полученные с техникой сапфир клеток может быть использована для многих приложений. В нашем случае, мы измерили отек и композиции для перестраиваемых растворителей, как газонаполненных жидкостей, газонаполненных ионных жидкостей и органических водных перестраиваемых систем (овес) ^1-4. Для последней системы, овес, сапфир клеток высокого давления включен изучение (1) поведение фазы в зависимости от давления и температуры, (2) Состав каждой фазы (газ-жидкость-жидкость) в зависимости от давления и Температура и (3) катализатор перегородки в двух жидких фаз в зависимости от давленияуверен и состав. Наконец, сапфир клетка является особенно эффективным инструментом для сбора точных и воспроизводимых измерений своевременно.

Введение

Когда реакции проводится с гидрофильной катализатора и гидрофобной подложки для формирования гидрофобный продукт, это довольно часто, чтобы использовать смешанные растворители, чтобы обеспечить однородную реакционную систему. Например, ТГФ-вода и ацетонитрил-вода, как правило, смешивают с растворителем, транспортные средства для этих однородных процессов реакции. В идеале, было бы выгодно разработать способ, в котором реакцию проводят при однородных условиях с последующим индуцированного фазового разделения для разделения водного и органического компонентов растворителя. Гидрофильный катализатор затем будет расположен в водной фазе и гидрофобного продукта в органической фазе. В целом, процесс позволит поспешное разделения / выделения продукта и средство для рециркуляции катализатора. Органические Водные настраиваемые Растворители (овес) обеспечить механизм для выполнения этой стратегии. Первым шагом в разработке овес было понять фазовую поведение органо-ного водного раствора в качестве фуnction органического / вода пропорции, CO ₂ давления и температуры. Эффективность разделения фаз при добавлении СО ₂ (т.е. поперечного растворимости в каждой фазе) важно определить количественно. На самом деле с точки зрения процесса, кросс-растворимость может перевести непосредственно к продукции и катализатора потерь в нежелательных, соответствующих фаз. Поэтому, зная, фазовый состав в зависимости от давления ключевая информация для "реальных" приложений. Методы отбора проб доступны; ^5-7 однако, прямой отбор проб из систем высокого давления может изменить равновесие системы и привести к разделению фаз или мигает в результате резких изменений давления или температуры в линии подачи пробы. Таким образом, метод, который не нарушает работу системы и позволяет быстро приобретение и воспроизводимые данные предпочтительнее. Аппарат высокого давления клеток сапфир действительно универсальным инструментом для измерения фазового поведения без отбора проб. Uпеть катетометра, измерения очень точные объемные могут быть записаны. Эти экспериментальные измерения объема затем используются с Peng-Robinson кубического уравнения состояния (модификаций Stryjek и Vera) и модифицированный Huron-Vidal смешивание правила для эффективного вычисления объемное расширение и фазовые составы в зависимости от температуры и давления ^8-10. Этот метод был разработан специально для измерения фазовых равновесий из пар-жидкость-жидких систем. Следует подчеркнуть, что сапфир клеток не подходит для изучения систем, которые включают твердые вещества. Данные, полученные с сапфировым ячейки высокого давления руководил выбор экспериментальных условий для овса опосредованных реакций, разделения и переработки катализатора. Кроме того, сапфир клеток также используется для (1) расширение мере растворителя (или отек) в зависимости от давления СО ₂ с органическими растворителями и ионных жидкостей, (2) определить разделение катализатора в многофазных системах в зависимости от давления, растворительСистема и температура и (3) понимать фазовое поведение в сложных системах реакции, проведенных под давлением. Здесь мы сообщаем (1) описание аппарата сапфир клеток высокого давления, (2) возможные ограничения и меры безопасности, (3) операционной протокол его, и (4) конкретных доказательство принципа приводит.

Сапфир ячейки высокого давления обсуждалось выше была на заказ (рис. 1). Равновесие ячейка состоит из полого сапфирового цилиндра (50,8 мм OD х 25.4 ± 0,0001 мм ID х 203,2 мм L). Ячейка разделена на две камеры, разделенные поршнем. Нижняя клетка содержит воду, используемую в качестве нагнетаемого жидкости (окрашенные голубой для наглядности) и верхняя ячейка содержит компоненты равновесия (рис. 2). Воздушные ванны была специально возведенных из оргстекла, чтобы соответствовать конкретной обстановке и капот-размер. Клетка находится внутри контролируемой температурой airbath, который ведется с Цифровой терморегуляторЛер. Температура airbath контролируется с помощью термопар (Тип К) и цифровых данных. Существует дополнительный термопары (тип К) внутри сапфирового ячейки, которая также контролируется с цифровым отсчетом. Давление измеряют с помощью датчика давления и цифровой индикацией. Два высокого давления, 500 мл, шприцевые насосы, способные поддерживать давление до 10 МПа были необходимы для работы. Первый шприц насос высокого давления содержит воду, которая используется для создания давления в систему. Второй насос высокого давления используется для введения CO ₂ (или другой газ) в систему. Газа на входе в верхней части сапфировой ячейки. Давление управляется с помощью шприца насос высокого давления для достижения равновесного давления на обеих сторонах поршня. Ячейка устанавливается на вращающемся валу, и перемешивание достигается вручную поворотом всю клетку.

Объемы жидкости и пара рассчитываются путем измерения высоты мениска с micrometeг катетометра. Для перемещений менее 50 мм, точность 0,01 мм; для больших перемещений, точность 0,1 мм.

протокол

1. Ассамблея Sapphire Cell

1. Поместите 116 размер подложки кольцо и 210 размер уплотнительное кольцо на поршень. Убедитесь, что уплотнительное кольцо материал совместим с химическими веществами, используемыми в ходе эксперимента перед сборкой.
   1. Некоторые бэк кольца имеют плоские и изогнутые края. Если это так, поместите плоский край вниз, а изогнутый край против уплотнительным кольцом.
2. Стержень резьбы в нижней части поршня с помощью стержень с резьбой наконечника (рис. 3).
3. Обертка стержень слоем лабораторного полотенцем (или других неабразивных лабораторных салфеток), чтобы предотвратить царапины при вставке поршень в камере.
4. Вставить поршень в камере. Этот шаг может быть трудно, так сила должна быть использована. Тем не менее, важно, чтобы гарантировать, что только уплотнительное кольцо входит в контакт с клеточной стенки.
5. Разместить 8210 размер подложки кольцо и 210 размер уплотнительное кольцо на верхней и нижней торцевой крышке (рис. 4). Примечание: тон нижняя заглушка является сторона вода с фитинга прилагается. Будьте осторожны, чтобы при вставке заглушки, только уплотнительное кольцо входит в контакт с клеточной стенки.
6. Совместите заглушки и вставьте два болта через монтажного кронштейна и через алюминиевых распорок.
7. Свободно прикрепите гайки.
8. Вставьте остальные два болта через алюминиевых распорок и заглушка отверстия.
9. Свободно прикрепите гайки.
10. Затяните все гайки до 8-10 м / кг крутящего момента.
11. Mount собраны клетки к кронштейну на вращающийся вал путем завинчивания болтов через дно сапфировой ячейки, а затем через вращающегося вала.
    Указания по технике безопасности:
    1. Гора собраны ячейку так, что открытие клапана на верхнем торцевой заглушки (для образца того) отворачивается от пользователя должно происходить катастрофический провал.
    2. Поместите верхнюю часть игольчатого клапана конкретно к обращенной в сторону от пользователя.
12. Прикрепите все арматуры высокого давления, труб и термопары к началу иНижняя панель. Присоединить трубку высокого давления включает предохранительный клапан на повышенное давление части сапфирового клетки. Расположенный клапан сброса давления в сторону от пользователя и электрооборудования (сброса давления приведет к выбросу воды).

2. Безопасное обращение с Сапфир Cell

Примечание:. Не прикасайтесь к сапфировое ячейку голыми руками Передача нефти из кожи может привести к микро-трещин или царапин Не устанавливайте сапфировое ячейку и в лаборатории незащищенного.. Твердая поверхность, скорее всего, поцарапать ячейку, или есть риск клеточной прокатки. Всегда проверяйте ячейку для каких-либо трещин или дефектов до использования. Поместите воздушной ванной в нижнем положении при работе ячейку под давлением. Airbath служит два Цели: (1) для контроля температуры в случае необходимости и (2), чтобы обеспечить барьер между человеком и под давлением содержимогоячейки в случае катастрофического отказа.

1. Гидравлических испытаний сапфир клеточно каждые 12 циклов изменения давления. Циклическое изменение давления растет давление выше атмосферного, а затем снятием давления. Если часто не используются, гидравлических испытаний клеточной каждые четыре месяца. Тестирование Полное давление с рабочей стороны, полной воды.
   Указание по безопасности: Опрессовка должна быть завершена с несжимаемой жидкости (например, вода.) Должны аппарат сбой, находясь под давлением.
   1. Прикрепите заполненный водой шприцевой насос высокого давления к образцу на входе связи (верхней части клетки) и полностью заполнить ячейку.
   2. Закройте образец впускной клапан.
   3. Запуск шприцевой насос так, чтобы несколько капель воды покидают трубку высокого давления. Это делается для того нет воздуха в линии до соединения.
   4. Присоединить трубку к сапфировой ячейки фитингом в нижней части сапфировой ячейки.
   5. Заполните нижнюю ячейку с очистки водо давление и следить за давлением для выявления любых возможных падение давления.
   6. Постепенно увеличивайте давление 0,1 МПа по установке предохранительного клапана. Сбора воды, который высвобождается из клапана сброса давления в небольшой контейнер.
   7. Снизить давление до атмосферного.
   8. Сброс предохранительного клапана и шприцев Насосы высокого давления.

3. Операция сотовый Аппарата Sapphire

1. Заполните шприцевой насос высокого давления примерно половина полной водой. Количество воды, которое потребуется, будет определяться давлением, при котором будет запустить эксперимент. Примечание: Не полностью заполнить шприцевой насос высокого давления, так что система может быть сброшено в случае необходимости.
2. Запуск шприцевой насос высокого давления таким образом, что несколько капель воды покидают трубку. Это делается для того нет воздуха в линии до соединения.
3. Прикрепите трубку к фитинга сапфир клеток.
4. Открытовпускной газовый клапан.
5. Заполните ячейку с водой, пока поршень не находится на уровне, что высота жидкости могут быть измерены с помощью катетометра. Примечание: Если на входе газового клапана не открыт система станет давлением.
6. Закройте кран подачи газа.
7. Прикрепите герметичное шприц для пробы на входе связи (ОТКРЫТО) и эвакуировать в клетку путем отходили 10 мл.
8. Закройте образец впускной клапан.
9. Применить небольшое давление на герметичном шприца, медленно открывая образец впускной клапан
10. Введите объем образца снова с помощью воздухонепроницаемого шприца, прикрепленный к входному отверстию образца. Примечание: в зависимости от размера шприца, сапфир клеток возможно, должны быть обращено на вращающемся валу, как airbath не может быть поднят над полностью клетки.
11. Закройте клапан.
12. Масс шприц до и после добавления образца. Измеряют количество образца путем записи массу шприца до и после того. Существует небольшая ошибка, свяред с этим методом из-за неизвестной количества образца, оставшегося в трубки и фитинги.
13. Набор воздушные ванны при желаемой температуре.
14. Разрешить образец прийти к равновесию до принятия первое измерение высоты с катетометра. Для обеспечения равновесия было достигнуто повторных измерений до изменений не наблюдается, по крайней мере в 3 раза. Время, необходимое для достижения равновесия в значительной степени зависит от системы и может быть в диапазоне от минут до часов. Полное предварительное исследование, в котором система наблюдается в течение продолжительного периода времени (24 ч), чтобы обеспечить равновесие было достигнуто.
15. Премьер-линия с CO _2. Добавить CO ₂ на первом запуске шприц насос высокого давления, чтобы извлечь воздух из линии (не прилагается впускной клапан).
16. Прикрепите трубку к впускным клапаном.
17. Откройте кран подачи газа к сапфировым клетки. Измерьте количество CO ₂ добавляется к системе путем регистрации объема шприца насоса высокого давления до и осле CO ₂ дополнением.
18. Убедитесь, что расход на шприцевой насос высокого давления воды равен нулю (после равновесие достигается) для обеспечения нет утечек.
19. Оказать давление требуемого значения путем регулировки давления жидкости (воды) с шприца высокое давление насоса.

4. Очистка Sapphire Cell

После завершения эксперимента, очистить сапфировое ячейку. Очистите ячейку, неоднократно промывки растворителями. Разберите ячейку (см. Протокол 5) для чистки в случае необходимости.

1. Введите приблизительно 10 мл растворителя, в котором образец растворим.
2. Встряхнуть ячейку на вращающемся валу для очистки стен и поршень.
3. Переверните сапфировое ячейку и откройте образец впускной клапан, чтобы очистить содержимое ячейки.
4. Повторите процедуру.
5. Повторите процедуру с ацетоном в качестве растворителя.
6. Сухого элемента: открыть все вентили и нагреть airbath.

е "> 5. Демонтаж Sapphire Cell

1. Снимите трубку от арматуры. Примечание: вода будет стекать из нижней части сапфировой ячейки. Удаление поршень из сапфирового клетки трудно, если он находится на полпути вверх по клетке, как только система будет демонтирована.
2. Бегите обратно воду в шприц высокого давления насоса.
   1. Закройте образец впускной клапан и давление в камере с CO _2.
   2. Наполните шприцевой насос высокого давления (<5 мл / мин).
   3. Не заправляйте шприц насос высокого давления, если ячейка не находится под давлением. Если ячейка находится под давлением после запуска воду обратно к насосу высокого давления: открыть кран подачи газа, чтобы выразить в капот.
   4. Удаление трубки подачи воды из сапфира клетки.
3. Ослабить гайки и распорные болты.
4. Выньте болты. Убедитесь, что металл не вступает в контакт с клеткой.
   1. Если болты не выходят легко, нажмите болты.
   2. Таке торцевые крышки с ходу, не касаясь ячейку.
5. Снимите поршень с резьбовой шпильки, завернутый в полотенце.

Результаты

Схема сапфировой ячейки высокого давления показано на фиг.2, вместе с изображением клетки. Образец находится в верхней камере и в нижней ячейке вода с синим красителем для демонстрационных целей. Жидкие компоненты подают с помощью шприца и клапана, в то время как CO ₂ (газо?...

Обсуждение

Аппарат сапфир клетка представляет собой уникальный инструмент для измерения фазового поведения без отбора проб, и, таким образом равновесие не нарушается. Для обеспечения точности повторяющиеся данные, есть критические шаги в протоколе (протокол 4 под названием "Операция сотовый ?...

Материалы

Name	Company	Catalog Number	Comments
Hollow sapphire cylinder			50.8 mm O.D. x 25.4±0.0001 mm I.D. x 203.2 mm L
Pressurizing fluid	Water
Syringe pumps	Teledyne Isco Model 500D
Digital temperature controller	Omega CN76000
Digital readouts	HH-22 Omega
Thermocouples	Omega Type K
Pressure transducer & readout	Druck, DPI 260, PDCR 910
CO2			SCF grade
Cathetometer	Gaertner Scientific Corporation or any scientific lab suppliers
Relief valve	Spring loaded relieve valve (Swagelok)
Mounting bracket	Unistrut bracket
Hollow spacers			3/4 in
4 stainless steel bolts, 4 nuts, 2 washers			3/4 in
3 O-rings	Kalrez, 210 size
3 backing rings			116 size for piston; 2 8210 size for end caps
1 multiport fitting	HiP
High pressure tubing			Stainless steel, 1/16 in