автореферат диссертации по энергетике, 05.14.05, диссертация на тему:Динамическая вязкость водных растворов нитратов щелочноземельных металлов

АЗЕРБАЙДЖАНСКИЙ ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ км. Л1. АЗИЗБЕКОВА

На правах рукописи

ЗЕИНАЛОВА АДЕЛЯ БАЛА-АГА кызы

ДИНАМИЧЕСКАЯ ВЯЗКОСТЬ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ НИТРАТОВ ЩЕЛОЧНОЗЕМЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛОВ

Специальность 05.14.05 — теоретические основы теплотехники

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Баку —

199 1

Раопта выполнена на кафедре «Теоретические основы теплотехники» Азербайджанского ордена Трудового Красного Знамени индустриального университета им. М. Азизбекова.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор АХУНДОВ Т. С.

Научный консультант: кандидат технических наук, доцент ИСКЕНДЕРОВ А. И.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор ГУСЕЙНОВ С. О., кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник ПОПОВ п. в.

Ведущее предприятие — Азербайджанский научно-исследовательский институт энергетики им. Г. И. Есьмана.

на заседании специализированного совета К 054.02.07 при Азербайджанском ордена Трудового Красного Знамени индустриальном университете им. М. Азизбекова по адресу: г. Баку, 370601, пр. Ленина, 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Защита состоится

1991 г. в

Автореферат разослан

1991 г.

Ученый секретарь специализированного сосета, к. т. п., вед. научн. сотр.

ПОЛЕТАЕВ Л. Н.

' ОБШ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

' ' я""1Актуальность теш. Водно-солевые растворы широко используют- ! :-г-;сп„-,в| различных областях науки и техники.. Эффективное использова-"" ТПТГ"шодно-со левых растворов в энергетике при проектировании и эксплуатации энергетических установок на тепловых и атоиных станциях, в геохимии и химической промышленности требует наличия достоверной и точной информации о теплофизических свойствах и, в частности, о динамической вязкости этих систем в широком диапазоне параметров состояния. Эти данные необходимы также и при разработке и эксплуатации установок по очистке природных и сточных вод, при разработке технологий производства азотосодержадих веществ,, новых жидких удобрений, ингибиторов коррозии, при выборе поглотителей для улавливания окислов азота, содержащихся в выбросах химических комбинатов.

Отсутствие систематизированных данных о важнейших физико-химических свойствах водных растворов нитратов щелочноземельных металлов ограничивает область применения этих систем. Так,при разработке математических моделей кристаллизации необходимо учитывать изменение свойств системы с изменением параметров состояния. Особенно это относится к вязкости и плотности растворов солей, которые весьма существенно меняются в процессе кристаллизации.

Исследование теплофизических свойств водных растворов солей с научной точки зрения также представляет немалый интерес, так как экспериментальные данные являются критерием оценки справедливости различных теоретических представлений. Только при наличии таких данных возможно корректно проследить за изменением определенных физико-химических характеристик и свойств растворов с изменением, температуры и давления. Многообразие систем вода-соль, сложность процессов протекающих в них 1ри изменении параметров состояния не позволяют аналитически решить ату проблему.

Обзор литературных данных о вязкости водных растворов нитратов щелочноземельных металлов, имеющихся в научно-технической и справочной литературе, показая, чтоинтерес к изучению свойств указанных систем значительно возрос в настоящее время, однако исследования проводились, как правило, при атмосферном давлении в узком интервале температур.

. Таким образом очевидно, что «соледование вягкооти водных

растворов нитратов.магния, кальция, стронция и бария в широкой области давлений, температур и концентраций и обобщение полученных результатов является актуальной.

Диссертационная работа-выполнялась в соответствии с координационными планами научно-исследовательских работ Ан СССР по комплексных проблемам "Теплофизика и теплоэнергетика" и "Растворы".

Цель работы.

1. Получение точных экспериментальных данных о динамической вязкости водных растворов нитратов магния, кальция, стронция и бария в интервале температур (298,15-598,15) К, давлений (0,140) Ш1а при различных концентрациях.

2. Обобщение полученных результатов, анализ расчетных формул и данных других авторов о вязкости исследованных нами водно-солевых систем.

3. Разработка индивидуальных уравнений вязкости для водных ' растворов нитратов щелочноземельных металлов.

4. Составление таблиц рекомендованных данных о вязкости водных растворов нитратов магния, кальция, стронция и бария на основе разработанных уравнений.

Научная новизна.

1. Исследована динамическая вязкость водных растворов нитратов щелочноземельных металлов в широком диапазоне давлений,

.температур и концентраций. Полученные данные являются пока единственными, за исключением данных о вязкости исследованных систем при атмосферном давлении.

2. На основе экспериментальных данных составлены индивидуальные уравнения для исследованных водных растворов нитратов щелочноземельных металлов, работающие во всем интервале исследованных давлений, температур и концентраций и описывающие опытные данные о погрешностью не более + 1,4 $».

Практическая ценность. Как указывалось выше, данные о вяз-кооти водных растворов нитратов щелочноземельных металлов представляют интерес дл многих отраслей науки и техники. В частности таких как геохимия, тепло- и атомная энергетика, химическая промышленность. Данные наших исследований могут быть использованы при разработке математических моделей процессов кристаллизации, е такие технологий производства ааотосодеркащих веществ.

• Результаты работы используются в Институте физики Дагестанского филиала АН СССР для разработки методов составлен я достоверных уравнений и расчета взаимосогласованных таблиц термодинамических свойств водных растворов и представлены ВНЙЦ МВ ГСССД для внедрения в автоматизированную информационную систему достоверных данных о теплофизических свойствах веществ (АИСТ).

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались:

- на ХП Республиканской научной конференции аспирантов ВУЗов Азербайджана, Баку, 1989;

- на ХШ Республиканской научной конференции аспирантов ВУЗов Азербайджана, Баку, 1990.

Публикация. По теме диссертационной работы опубликовано 4 статьи, которые в своей совокупности охватывают основной материал диссертации.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на ТИ страницах машинописного текста, включает в себя 27 рисунка, 16 таблиц и состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 88 наименований и приложения о программой расчета на ЭВМ предложенных уравнений динамической вязкости ис-ледованных растворов'.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность настоящих исследований, сформулирована цель работы, её научная новизна и практическая ценность.

В первой главе выполнен анализ литературного материала о вязкости водных растворов нитратов щелочноземельных металлов , который показал, что:

- в справочной и научно-технической литературе имеются данные о вязкости водных растворов нитратов щелочноземельных металлов лишь при атмосферном давлении и узком интервале температур

и солесодеряаний;

- вязкость указанных водно-солевых систем при высоких давлениях и температурах вообще не изучена;

- имеющиеся в литературе данные о вязкости указанных растворов весьма разрознены, отдельные сведения нуждаются в провер-

ке и экспериментальной подтверждении.

Проведенный анализ состояния исследований в этой области подтвердил актуальность выбранной темы, а танке позволил сделать вывод о необходимости исследования вязкости водных растворов нитратов щелочноземельных металлов в широкой области параметров состояния.

Во второй главе обоснован выбор метода измерения вязкости, описаны экспериментальная установка, реализующая этот метод и методика измерения основных опытных величин, приведены результаты тарировочных опытов на эталонном веществе- воде, расчетные уравнения для вычисления динамической вязкости и дана оценка погрешности измерения.

Установка на которой проводились исследования реализует капиллярный метод. При выборе методики особое внимание уделялось обеспечении высокой точности измерений с сохранением простоты проведения эксперимента .При этом необходимо было, чтобы экспериментальная установка позволяла проводить исследования вязкости в широкой области давлений и температур. С учетом вышеизложенных требований предпочтение было отдано капиллярному методу.

Установка создана в проблемной лаборатории "Теплофизика углеводородов" АзИУ им. М.Азизбекова.

Особое внимание было уделено обработке внутренней поверхности измерительного капилляра из нержавеющей стали Ш8Н9Т с внутренним диаметром ~0,3 мм.

Разгруженный от давления капилляр был помещен в автоклав, находящийся в массивном медном блоке. Истечение исследуемой жидкости через капилляр происходит за счет перепада давлений на концах капилляра, создаваемого перемещением одного из двух сообщающихся цилиндров. Одйн из этих цилиндров, расположенных в зоне комнатных температур, с помощью трубки-компенсатора сообщается с измерительным капилляром, а второй цилиндр сообщается с автоклавом, внутри которого расположен измерительный капилляр. Цилиндры, имеющие практически одинаковые объемы, снабжены двумя смотровыми окнами из оргстекла с отверстиями и нанесенными на них рисками. Для стабилизации режима истечения жидкости через капилляр каждый из основных цилиндров был снабжен расширительным баллончиком.

Одним из ответственных этапов при изготовлении экспериментальной установки является определение геометрических размеров

капилляра, и в первую очередь его радиуса, входящего в расчетлую формулу в 4-ой степени. Средний радиус капилляра определялся как весовыы способом - заполнением ртутью, так и в градуировочншс опытах по известной динамической вязкости воды. В результате измерений были получены следующие значения радиуса капилляра:

весовым способом - 0,15091 мм;

градуировкой по воде - 0,15048мм.

В дальнейших расчетах было принято 2 =0,15091 мм. Учитывая возможный износ капилляра при длительной его эксплуатации в среде водных растворов солей, нами периодически проводились контрольные измерения вязкости воды (практически после исследования растворов каждой из солей).

Перепад давления на концах капилляра расчитывался по сред-н'еинтегральному перепаду уровней ртути в подвижном и неподвижном цилиндрах с учетом наличия исследуемого раствора над ртутью.

Температура опыта измерялась образцовым платиновым термометром сопротивления ПТС-10, потенциометра Р-ЗбЗ-2 класса 0,002 и образцовой катушки сопротивления. Измерения производились многократно при двух направлениях рабочего тока в цепи термометра и в расчете использовались средние результаты измерений. Однородность температурного поля в медном блоке контролировалась по показаниям 3-х градуированных хромель-алюмелевых термопар, установленных равномерно по периметру блока и перемещаемых по длине блока.

Примененная схема позволила измерять температуру с погрешностью не более 1 0,01 К.

Давление в установке создавалось и измерялось о помощью грузопоршневого манометра ШТ-бОО класса 0,05. Абсолютное давление исследуемой жидкости определялось как суши манометрического и барометрического давлений, а также ряда поправок, учитывающих разность уровней масла, ртути и исследуемой жидкости. Барометрическое давление измерялось образцовым барометром с точностью 0,25 мм рт.ст.

Время истечения жидкости через капилляр измерялось о помощью секундомера СД-50 с ценой деления и,1 о. Разброо по времени истечения не превышал 0,2 с, что составляет 0,-5 % при минимальном времени истечения 40 о при температуре — 600 К.

Число■ Дс во всех опытах не превышало 300.

' Оценка погрешности измерений вяэкости, выполненная в соответствии с рекомендациями метрологических служб показала, что

общая погрешность определения динамической вязкости составила ±1,5*.

В третьей главе приводятся результаты экспериментального исследования динамической вязкости водных растворов нитратов щелочноземельных металлов.

Растворы нитратов бария и стронция готовились из соли квалификации "химически чистые" и бидистиллята. Соль предварительно высушивалась при температуре 373 К. Растворы готовились в весовых %. Соль, а также бидистиллят необход..мые для- приготовления растворов взвешивались на аналитических весах с точностью ± 0,00005 г,.

Для приготовления растворов нитратов магния и кальция использовались их кристаллогидраты ъ Са(Щ)у ¿/N¿0 . В связи с этим нам необходимо было производить пересчет, учитывающий содержание воды в кристаллогидрате. Приготовленные таким образом растворы имеют погрешность по концентрации не более ± 0,05 %.

Для азотнокислого бария исследовались концентрации: 0,5; 2; 4; 6; 8 для остальных солей - 5; 10; 20; 30; 40 %.

После проверочных опытов на воде были начаты исследования вязкости водно-солевых систем. Эксперименты проводились в интервале температур (298,15-598,15) К с шагом по температуре 25 К при давлениях (0,1-40) МПа. Всего получено 1100 экспериментальных данных о динамической вязкости указанных растворов. На некоторых изотермах было проведено по два опыта. Результаты этих измерений согласуются между собой с погрешностью не более 0,6 %, что свиде1ельствует о хорошей воспроизводимости экспериментальных данных.

На рис. 1,2 представлены и диаграммы для 5 %

концентрации водного раствора азотнокислого магния. ¿-Т диаграммы построены путем соответствующих термодинамических сечений. Плавный характер изобар свидетельствует о хорошем согласовании полученных нами экспериментальных данных.

Построены также ¿-С диаграммы для каждого из исследованных нами растворов. Для каждого раствора концентрационные зависимости имеют индивидуальный характер (рио.3,4). Так,для растворов азотнокислого бария концентрационная зависимость динамической вязкости имеет пароболический характер, причем величина отклонения от гакоча аддитивности зависит от температуры. При этом

Рис Л. Изотермы вязкости 5 % водного раствора нитрата магния

Рис.2. "Изобары Р=40 МПа вязкости водных растворов нитрата магния

Ч-ю

Па-с

тоо

37000

Р - 40 Ша

тоо

29000 25000 2/000

17000 ¡3000 5000 5000

- 238.15К 325./5 \

.ЩЛ5Л 423.15 ^ * Ш.!5'

жн?

53&.15\

о

Рис.3.

Ю 20 ¿0 40 С, '¿(классе}

Концентрационная зависимость вязкости водных растворов нитрата магния при Р=40 МПа

ЮОО

Я (ю массе)

РИС л. концентрационная зависимость водных растворов нитрата бария при Р=30 МПа '

максимальное отклонение от аддитивности доходит до 8 % при 293 К. Для водных растворов нитрата магния при 298 К отклонение от аддитивности составляет 39,3 для растворов Со(А/03)г - 24,6 % при 297 К, для растворов 22 % при 295 К.

В третьей главе приводится также сравнение полученных результатов с данными справочной и научно-технической литературы. Анализ показал, что экспериментальные данные, полученные автором, в основном хорошо согласуются с литературными. Исключение составляют лишь результаты Кузнецова В.В. и Хреновой Л.А., поскольку их данные по вязкости при больших концентрациях растворов расходятся с нашими на величину порядка - 78 %. При сравнении их со справочными данными, а таете с результатами других авторов наблюдается расхождение того яе порядка, что дает основания полагать, что данные Кузнецова В.В. .и Хреновой Л.А. ошибочны.

Четвертая глава посвящена обработке полученных результатов исследований. В этой главе дается анализ существующих уравнений вязкости жидкостей, который показал, что ни одно из известных нам уравнений вязкости не может быть успешно использовано для описания динамической вязкости водных растворов нитратов щелочноземельных металлов во всем интервале исследованных нами давлений, температур и концентраций.

Поскольку растворителем во всех рассмотренных случаях является вода считается целесообразным, при описании вязкости водных растворов солей, установление связи между вязкостью раствора и растворителя.

В связи с этим при обработке и обобщении данных о вязкости водных растворов нитратов щелочноземельных металлов были рассмотрены отношения значений динамической вязкости раствора/,» и воды 1е при одинаковых давлении и температуре во всем диапазоне температур, давлений и концентраций.

Анализ показал, что в координатах/^-^»при температурах до 523 К изобары приведенной вязкости водных растворов Са(М0з)г при всех концентрациях имеют линейный характер, для которых мокйо записать: _

где }г -динамическая вязкость раствора, Па-с; ■ }е - динамическая вязкость воды, Па«о; .

Т - температура, К;

А и Б - функции солесодержания.

Для водных растворов азотнокислого кальция коэффициенты А и Б описываются уравнениями:

С-1+ ехр(-г,&59-и--г,о-{4Эд-с0-£) (г)

&=-£&&1?9 С - мг^з&гсг-/-б,75с3+схр(-го,&гб+г1зг?гс- . .

-ыае-ю-'-С2 +£,/& с3 ;

Для растворов азотнокислого магния: /}=• Ю~г- С +3 96903-/О'*- С3 + ¿МЬбб ■ /0~£- с3-

-ехр(-.г9)з&з9 + 0,6?9Ыс) . ^

в = е^ср(о^З^ЗЧ6 С ~ 5,5?за ю'3 (5)

Следует-отметить, что для водных растворов нитрата стронция изобары приведенной вязкости имеют линейный характер при температурах до 523 К в координатах/,,^-7*.

Для растворов азотнокислого стронция коэффициенты А и Е> описаны уравнением:

А $3 /О'3 С + /О'9 С * (6)

• В~?,ъь■ю'с*£зг-/отГ-с+ /о'* с2- биоб ю'6 с5 (7)

В связи с тем, что диапазон концентраций для водных растворов азотнокислого бария небольшой и составляет всего лишь 0-8 % по массе, связанное с растворимостью рассматриваемой соли, для этой системы при температурах до 523 К уравнение вязкости принимает более упрощенный вид:

.¿/¿Г (8)

где С - солесодержание, % по массе.

' Коэффйциенты./? и В являются постоянными величинами и равны:

. /?=1,Ы0~2 £=4,6-10~5

При экстрополяции уравнения (8.) до температур выше 523 К наблюдается отклонение значений вязкости, расчитанных по уравне-нйю (8) от экспериментальных данных. Причем, отклонение Д^ с ростом температуры увеличивается.

Анализ функции ¿¿-/(^показал, что зависимость от тем-

пературы в пределах допуска 1 1,5 % по вязкости имеют прямолинейный характер и ио.'ут быть описаны уравнением:

= (9)

где ^ , о1в • «¿у - константы, значения которых приводятся в. таблице.

Коэффициенты уравнения (9)

Наименование соли 4. «¿о

азотнокислый магний - 17 9,95-10' -3 2,27'Ю"4

азотнокислый кальций - 19 1,405*10" -2 2,46-Ю"4

азотнокислый стронций - 19 1,1014*10" ■г 3.297.10"4

азотнокислый барий - 28 3,5.10" -2 1,25*10"'

Уравнения вязкости для водных растворов нитратов щелочноземельных металлов описывают экспериментальные данные с погрешностью не более ± 1,4 %.

В приложении приведены программы расчета на ЭВМ динамической вязкости водных растворов нитратов магния, кальция, стронция и бария по разработанным уравнениям, а такае справки о внедрении результатов исследований.

ВЫВОДЫ

1. В результате анализа литературных данных о вязкости водных растворов нитратов щелочноземельных металлов выявлена недостаточность исследований указанных растворов. Имеющиеся немногочисленные данные о вязкости исследованных нами растворов охватывают область низких температур при атмосферном давлении, а наличие больших расхождений между ними затрудняет рекомендовать наиболее надежные значения. Полностью отсутствуют данные о вязкости этих растворов при давлениях выше атмосферного и высоких температурах.

2. Выбрана методика исследования динамической вязкости водных растворов нитратов щелочноземельных металлов при высоких температурах и даЕлениях. йспольэована установка, реализующая капиллярный метод, в которую внесены некоторые конструктивные и методические изменения, направленные на повышение надежности полученных данных и улучшению условий опытов. Проведены тарировоч-ные опыты с водой, результаты которых хорошо согласуются о достоверными литературными данными (± 1,12 %).

3. Проведено подробное экспериментальное исследование динамической вязкости водных растворов нитратов щелочноземельных металлов для двадцати концентраций в интервале температур (298,15598,15) К и давлений (0,1-40) МПа.

4. Для всех исследованных растворов построены ¿-С зависимости. Характер их различен для различных растворов.

5. На основе экспериментальных данных о вязкости водных растворов нитратов щелочноземельных металлов разработаны индивидуальные уравнения, позволяющие раочитать вязкость исследованных растворов в интервале температур (298,15-598,15) К и давлений до 40 МПа при концентрациях (0-8) % для растворов азотнокислого бария и (0-40) % для других исследованных растворов. Предложенные уравнения описывайт экспериментальные данные с погрешностью не более 1,4

6. На основе разработанных уравнений составлены подробные таблицы рекомендуемых данных о динамической вязкости водных растворов нитратов щелочноземельных металлов, которые могут быть использованы l качестве справочного материала как в научных целях, так и при решении некоторых эксплуатационных и проектно-конструкторских эадач.

7. Разработаны программы расчета на ЭВМ динамической вязкости исследованных растворов; ' ,

Основные материалы диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Зейналова A.B., Искендеров А.И., Ахундов Р.Т. Динамическая вязкость водных растворов нитрата магния // Нефть и гаа.-

- Баку,. 1990.-№ II,-с. 43.

2. Зейналова А.Б. Динамическая вязкость водных растворов нитратов щелочноземельных металлов // Материалы ХП Республиканской научной конференции аспирантов ВУЗов Азербайджана: Тез.докладов,- Баку, 1989.

3. Зейналова А.Б. Вязкость годных растворов нитратов щелочноземельных металлов // Материалы ХШ Республиканской научной конференции аспирантов ВУЗов Азербайджана: Тез.док.- Баку, 1990.

4. Зейналова А.Б., Искендеров А.И., Таиров А.Д., Ахундов Т.С. Динамическая вязкость водных растворов азотнокислого кальция // Нефть и газ.- Баку, 1991.- » I.- с. 53.

5. Ахундов Т.С., Зейналова А.Б., Таиров А.Д., Искендеров А.И. Динамическая вязкость водных растворов азотнокислого стронция // Нефть и газ.- Баку, 1991.- te 2.- с. 78.

6. Ахундов Т.С., Искендеров А.И., Зейналова А.Б., Динамичес-

кая вязкость водных растворов азотнокислого бария // Нефть и газ,- Баку, 1991.- Л 5,- с. 64..