Scientific journal
Modern high technologies
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,916

APPLICATION OF THEORETICAL MODEL OF CARRY OF ENERGY IN SPIRITS SOLUTIONS OF I-I ELECTROLYTES AND THEIR EXPERIMENTAL ESTIMATION

Bagaeva T.V. Tanganov B.B. Bubeeva I.A.
Стационарным методом измерена теплопроводность I-I электролитов в среде этанола и бутанола при температуре 288-323K, в интервале концентраций 0,0001-1 моль/л. По теоретической модели рассчитан коэффициент теплопроводности электролитов в среде нормальных спиртов. Исследована зависимость коэффициента теплопроводности от температуры и концентрации.
The stationary method measures heat conductivity of electrolytes I-I in the environment ethanol and buthanol at temperature 288-323 K, in an interval of concentrations 0,0001-1 mol/l. On theoretical model the factor of heat conductivity electrolytes I-I in the environment of normal spirits is designed. Dependence of factor of heat conductivity on temperature and concentration is investigated.

Для совершенствования и оптимизации технологических процессов необходимы научно обоснованные инженерные расчеты, которые нуждаются в информации о теплофизических и термодинамических свойствах рабочего вещества в широкой области изменения температур и концентраций. Использование ориентировочных или даже приближенных данных по свойствам веществ в инженерных расчетах приводит к существенному завышению металлоемкости установок и снижению их технико-экономических показателей.

В связи с этим, дальнейшее уточнение теплофизических данных рабочих веществ представляет собой значительный резерв совершенствования технологического процесса.

Разработан целый ряд новых технологических процессов, протекающих при высоких температурах, что послужило основанием для совершенствования и интенсификации ранее существующих процессов, применяемых в химической, нефтехимической, топливной, нефтеперерабатывающей промышленности с крупнотоннажным производством [3,4].

Известные модельные представления теплопроводности растворов электролитов не приемлемы при оценке переноса количества энергии в неводных, в частности спиртовых, растворах электролитов.

В ходе исследований предполагается применить теоретическую модель теплопроводности в спиртовых растворах
I-I электролитов и их экспериментальная оценка.

Теоретическая оценка теплопроводности проводилась по уравнению плазмоподобной теории электролитов, разработанной для водных растворов электролитов и предполагающей привлечение индивидуальных свойств отдельных ионов и их коллективных эффектов, таких как плазменная частота, дебаевский радиус, подвижность ионов, сольватные числа, радиусы сольватированных ионов, массы сольватированных ионов в неводных растворах [1,5]. Также применение данной модели для расчета теплопроводности предполагает использование диэлектрической постоянной, энергии межмолекулярных взаимодействий, дипольного момента, радиуса и молярной массы молекулы растворителя. В общем виде уравнение для определения коэффициента теплопроводности имеет вид [1,2,5]:

,

где R- газовая постоянная; T- температура, К; - энергия колебательного процесса ²ассоциация - диссоциация²; zie- элементарный заряд; - постоянная Планка; C - концентрация раствора, моль/л; NA- постоянная Авогадро; - приведенная масса несольватированных ионов; mi- молярная масса иона; - радиус сольватированных ионов; p - дипольный момент молекулы растворителя; - сольватное число иона; RS - радиус молекулы растворителя; ri- радиус иона; kБ- постоянная Больцмана; ε - диэлектрическая постоянная; M - молярная масса растворителя; - подвижность иона; ΔH - энергия водородной связи растворителя; - приведенная масса сольватированных ионов; ms=m+ns·M - масса сольватированного иона; - функция максвелловского распределения по скоростям движения ионов;
α - степень диссоциации электролита; - дебаевский радиус экранирования [1].

В табл. 1 представлены значения теплопроводности электролитов I-I (Kl, NaBr, NH4Cl) в среде метанола и пропанола, полученные по рассматриваемой теоретической модели.

Экспериментальную оценку теплопроводности спиртовых растворов электролитов I-I проводили на установке, апробированной на водных растворах электролитов [6].

Установка для определения теплопроводности растворов электролитов содержит электрически связанные два датчика-преобразователя, блок регистрации, источник питания. Термоэлектроды располагаются внутри датчиков-преобразова-телей, которые соединяются с регистрирующим блоком. При этом один из датчиков соединяется с источником питания и помещается в термостатированную измерительную ячейку с исследуемым раствором, поддерживающую постоянную температуру с помощью жидкостного термостата, а другой датчик помещается в микрохолодильник с тающим льдом [6].

В табл. 2, 3 представлены расчетные и экспериментальные значения теплопроводности электролитов I-I в среде этанола и бутанола.

На рис. 1, 2 представлена зависимость теплопроводности некоторых спиртовых растворов электролитов I-I от температуры и концентрации.

Показано, что теплопроводность исследуемых объектов увеличивается с ростом температуры и уменьшается с ростом концентрации.

Рис. 1. Температурная зависимость теплопроводности NH4Clв среде этанола при C=0,1 моль/л

Рис. 2. Концентрационная зависимость теплопроводности электролитов I-I (Kl, NaBr, NH4Cl) в среде этанола

Экспериментальная установка обладает достаточной воспроизводимостью получаемых данных по теплопроводности водных растворов электролитов и может использоваться для определения теплопроводности спиртовых растворов электролитов в интервале концентраций и температур.

Примененный комплекс расчетных методов для оценки теплопроводности растворов электролитов в диапазоне температур и концентраций дает удовлетворительные данные в таких растворителях как метанол, этанол, пропанол, бутанол. Пользуясь теоретической моделью, учитывающей характеристики растворителя, возможно получение данных по теплопроводности растворов электролитов в неводных растворителях.

Изучение теплофизических и термодинамических свойств растворов в значительной степени способствует развитию и совершенствованию современной теории жидкого состояния, выяснению механизма межмолекулярного взаимодействия в жидкостях. Поэтому результаты исследования теплопроводности легли в основу современной молекулярно-кинетической теории жидкостей.

Таблица 1

Расчетные значения теплопроводности электролитов I-I (KI, NaBr, NH4Cl )
в среде метанола и пропанола

λ·103, Вт/м·К

C, моль/л

 

T,K

288

293

298

303

308

313

318

323

KI - метанол

1

340

343

346

351

353

356

359

362

0.5

367

370

373

378

380

383

386

388

0.1

415

418

420

424

426

428

431

433

0.01

450

452

453

457

459

460

462

464

0.001

462

464

465

469

470

472

473

475

0.0001

466

468

470

472

474

475

477

478

NaBr - метанол

1

532

536

541

548

552

556

561

565

0.5

575

579

583

590

594

598

602

606

0.1

650

654

657

663

666

670

673

676

0.01

705

708

710

716

718

721

723

725

0.001

725

727

730

735

737

739

741

743

0.0001

732

734

736

741

743

745

747

749

NH4Cl - матанол

1

751

757

762

772

776

781

787

792

0.5

803

809

814

823

827

832

837

842

0.1

894

898

902

910

913

917

921

925

0.01

959

962

965

971

974

977

980

982

0.001

982

984

987

993

996

998

1000

1003

0.0001

990

992

994

1001

1003

1005

1007

1009

KI -пропанол

1

1433

1446

1459

1478

1489

1501

1513

1525

0.5

1568

1581

1593

1611

1622

1633

1644

1655

0.1

1810

1820

1829

1846

1855

1864

1872

1882

0.01

1988

1996

2003

2017

2024

2031

2037

2044

0.001

2054

2060

2066

2080

2085

2019

2097

2102

0.0001

2076

2082

2087

2101

2106

2111

2116

2122

NaBr - пропанол

1

2357

2378

2399

2431

2448

2468

2487

2506

0.5

2578

2598

2617

2648

2665

2683

2701

2719

0.1

2977

2993

3008

3036

3050

3065

3079

3093

0.01

3277

3288

3300

3324

3334

3345

3355

3366

0.001

3388

3398

3408

3430

3439

3448

3457

3465

0.0001

3426

3435

3443

3465

3474

3482

3490

3498

NH4Cl - пропанол

1

3546

3575

3604

3651

3673

3701

3727

3754

0.5

3839

3866

3893

3938

3959

3985

4009

4034

0.1

4357

4379

4401

4440

4459

4479

4499

4518

0.01

4742

4758

4773

4807

4822

4837

4851

4865

0.001

4884

4897

4910

4942

4954

4967

4979

4991

0.0001

4931

4943

4956

4986

4998

5010

5021

5033

Таблица 2

Расчетные и экспериментальные значения теплопроводности электролитов I-I (KL, NaBr, NH4Cl ) в среде этанола

T,K

C, моль/л

KI

NaBr

NH4Cl

λрасч.*103

 λэксп.*103  λрасч.*103

 λэксп.*103

 λрасч.*103

 λэксп.*103

288

1

734

745

1185

1199

1745

1761

0.5

800

817

1291

1306

1881

1899

0.1

916

933

1480

1496

2121

2138

0.01

1002

1010

1620

1643

2296

2307

0.001

1033

1039

1672

1689

2360

2357

0.0001

1043

1051

1690

1704

2381

2395

293

1

740

756

1195

1210

1759

1773

0.5

806

822

1301

1314

1894

1911

0.1

921

939

1488

1504

2131

2147

0.01

1005

1018

1626

1651

2303

2316

0.001

1036

1045

1677

1694

2366

2378

0.0001

1046

1057

1694

1710

2387

2409

298

1

747

763

1206

1224

1773

1785

0.5

812

839

1310

1325

1907

1929

0.1

926

944

1495

1512

2141

2155

0.01

1009

1025

1632

1669

2311

2326

0.001

1039

1050

1682

1701

2373

2388

0.0001

1049

1062

1699

1722

2393

2426

303

1

757

771

1222

1240

1795

1797

0.5

822

845

1326

1337

1929

1941

0.1

935

951

1509

1521

2160

2169

0.01

1016

1029

1644

1677

2327

2336

0.001

1046

1057

1693

1712

2388

2395

0.0001

1056

1068

1709

1738

2408

2434

308

1

762

788

1230

1254

1806

1813

0.5

827

852

1334

1349

1939

1954

0.1

939

956

1516

1533

2169

2181

0.01

1020

1033

1649

1681

2334

2358

0.001

1049

1061

1697

1724

2394

2409

0.0001

1059

1073

1714

1746

2413

2442

313

1

769

797

1240

1263

1819

1825

0.5

833

867

1343

1361

1951

1968

0.1

944

961

1523

1541

2178

2193

0.01

1023

1039

1654

1689

2341

2365

0.001

1052

1064

1702

1733

2400

2418

0.0001

1062

1078

1718

1751

2419

2449

318

1

775

802

1249

1275

1832

1846

0.5

839

872

1352

1376

1963

1971

0.1

949

968

1530

1549

2188

2205

0.01

1027

1043

1660

1696

2348

2372

0.001

1055

1069

1706

1745

2405

2429

0.0001

1064

1082

1722

1758

2424

2451

323

1

781

814

1259

1283

1844

1854

0.5

844

879

1361

1385

1974

1985

0.1

953

973

1537

1557

2197

2213

0.01

1030

1047

1665

1700

2354

2380

0.001

1058

1075

1711

1751

2411

2437

0.0001

1067

1090

1726

1764

2430

2459

Таблица 3

Расчетные и экспериментальные значения теплопроводности электролитов I-I (KI, NABr, NH4Cl) в среде бутанола

T,K

C, моль/л

KI

NaBr

NH4Cl

λрасч*103

 λэксп*103

 λрасч*103

 λэксп*103

λрасч*103 

λэксп*103 

288

1

1060

1099

3699

3711

5619

5600

0.5

1188

1202

4054

4031

6095

6058

0.1

1436

1449

4699

4687

6949

6925

0.01

1634

1647

5188

5149

7580

7561

0.001

1711

1725

5371

5358

7815

7796

0.0001

1737

1747

5432

5408

7894

7877

293

1

1071

1117

3732

3721

5666

5623

0.5

1200

1213

4085

4060

6139

6093

0.1

1445

1458

4724

4701

6981

6947

0.01

1641

1658

5206

5177

7606

7590

0.001

1716

1733

5386

5364

7837

7809

0.0001

1742

1752

5446

5423

7914

7898

298

1

1082

1131

3765

3743

5712

5687

0.5

1210

1227

4116

4086

6183

6137

0.1

1454

1470

4749

4721

7016

6993

0.01

1647

1665

5225

5201

7632

7603

0.001

1722

1740

5401

5389

7859

7825

0.0001

1747

1765

5460

5430

7934

7906

303

1

1093

1140

3816

3781

5787

5712

0.5

1221

1239

4165

4127

6255

6189

0.1

1463

1485

4794

4749

7080

7030

0.01

1654

1673

5263

5229

7687

7638

0.001

1727

1748

5436

5411

7909

7874

0.0001

1751

1777

5494

5452

7984

7931

308

1

1104

1152

3843

3800

5823

5739

0.5

1232

1245

4192

4145

6290

6230

0.1

1472

1499

4816

4780

7110

7085

0.01

1660

1681

5279

5247

7710

7683

0.001

1732

1752

5451

5420

7930

7901

0.0001

1756

1782

5508

5477

8003

7972

313

1

1115

1156

3874

3837

5867

5794

0.5

1242

1257

4221

4189

6331

6291

0.1

1481

1506

4839

4800

7143

7115

0.01

1667

1690

5297

5260

7734

7702

0.001

1737

1760

5465

5433

7950

7914

0.0001

1761

1788

5521

5498

8022

8001

318

1

1125

1161

3904

3876

5910

5831

0.5

1252

1269

4250

4205

6371

6322

0.1

1489

1519

4862

4827

7175

7142

0.01

1673

1698

5313

5294

7758

7721

0.001

1742

1768

5479

5445

7970

7932

0.0001

1766

1792

5534

5507

8041

8020

323

1

1136

1165

3934

3901

5953

5878

0.5

1262

1282

4278

4233

6411

6388

0.1

1497

1525

4885

4851

7206

7193

0.01

1679

1702

5330

5309

7781

7744

0.001

1747

1773

5493

5460

7990

7969

0.0001

1770

1796

5547

5518

8059

8031

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Багаева Т.В., Бубеева И.А. // Молодые исследователи - регионам.-2008.-Т.1.-С. 4.

2. Балданов М.М., Танганов Б.Б., Бубеева И.А. // Докл. СО АН ВШ. 2003. № 2(8). С. 14.

3. Бубеева И.А. Разработка теоретической модели оценки коэффициента теплопроводности в рамках плазмоподобной концепции растворов электролитов: Автореф. дис. ... канд. техн. наук.- Улан-Удэ: - 2004. - 22 с.

4. Зарипова М.А. Теплофизические и термодинамические свойства водных растворов гидразина и фенилгидразина: Автореф. дис. ... канд. техн. наук.- Душанбе: - 2006. - 19 с.

5. Танганов Б.Б., Бубеева И.А., Багатева Т.В. // Наука и образование - 2008. -[Электр. ресурс] / МГТУ. Электр. текст дан. (20 Мб). Мурманск: МГТУ, 2008. 1 опт. компакт - диск (CD-ROM).

6. Патент на полезную модель № 34250, МПК G01N25/18. Установка для определения теплопроводности растворов электролитов / Б.Б. Танганов, В.Ч.-Д. Гармаев, И.А. Бубеева, Ж.В. Гармаев.- Заяв. 23.06.2003; Опубл. 27.11.2003, Бюл. № 33.