趙康,畢勝山,吳江濤

(西安交通大學(xué)熱流科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710049,西安)

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鄰二甲苯、間二甲苯和對(duì)二甲苯表面張力的實(shí)驗(yàn)研究

趙康,畢勝山,吳江濤

(西安交通大學(xué)熱流科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710049,西安)

為了獲得二甲苯異構(gòu)體鄰二甲苯、間二甲苯和對(duì)二甲苯的表面張力參數(shù),補(bǔ)充現(xiàn)有數(shù)據(jù)不足,為其作為化工合成原料、汽油及替代燃料添加劑等工程應(yīng)用提供技術(shù)支持,建立了懸滴法實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),利用正庚烷檢驗(yàn)其精確性和可靠性,并對(duì)鄰二甲苯、間二甲苯和對(duì)二甲苯在303.15～393.15 K溫度范圍內(nèi)的表面張力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,得到了57組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。利用得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),擬合得到了鄰二甲苯、間二甲苯和對(duì)二甲苯的表面張力計(jì)算方程。表面張力計(jì)算方程計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的絕對(duì)偏差在±0.1 mN·m-1以內(nèi)。所獲得的表面張力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算方程,可為鄰二甲苯、間二甲苯和對(duì)二甲苯的工程應(yīng)用提供基礎(chǔ)熱物性數(shù)據(jù)。

二甲苯異構(gòu)體;表面張力;懸滴法

二甲苯異構(gòu)體(鄰二甲苯、間二甲苯及對(duì)二甲苯)是生產(chǎn)合成增塑劑、樹(shù)脂、染料、化學(xué)纖維、醫(yī)藥等多種有機(jī)化合物的重要原料[1],并廣泛用作汽油添加劑和汽油、柴油及航空煤油替代物的添加劑,有很高的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。研究表明,鄰二甲苯、間二甲苯和對(duì)二甲苯在汽油中總體積分?jǐn)?shù)達(dá)10%[2],其相對(duì)較高的辛烷值(鄰二甲苯為113,間二甲苯為117.5,對(duì)二甲苯為116.4)能顯著提高汽油抗爆性,有效改善燃燒特性[3]。

表面張力是流體重要的物性參數(shù),在化工生產(chǎn)過(guò)程和燃料噴射霧化中具有重要的作用。根據(jù)公開(kāi)文獻(xiàn)調(diào)查發(fā)現(xiàn),鄰二甲苯[4-9]、間二甲苯[4-7,10-11]和對(duì)二甲苯[4-5,11-13]的表面張力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的溫度范圍有限,且沒(méi)有給出可靠的計(jì)算方程,如鄰二甲苯和間二甲苯測(cè)量的實(shí)驗(yàn)溫度范圍均為303.15～343.15 K,共14個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)[6],對(duì)二甲苯的實(shí)驗(yàn)溫度范圍為296.037～333.92 K,僅有3個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)[10],大多數(shù)文獻(xiàn)[5,7,11-12]只給出了常溫附近的單點(diǎn)值。另外,各研究人員的測(cè)量結(jié)果之間存在較大偏差,如鄰二甲苯的最大偏差超過(guò)1 mN·m-1,對(duì)二甲苯的最大偏差為0.84 mN·m-1,因此非常有必要對(duì)其表面張力開(kāi)展進(jìn)一步的研究。本課題組開(kāi)發(fā)出上述3種物質(zhì)的多參數(shù)Helmholtz狀態(tài)方程,可用于準(zhǔn)確計(jì)算氣液相區(qū)密度[14]。本文主要工作是建立了懸滴法表面張力實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),利用正庚烷對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可靠性進(jìn)行了檢驗(yàn),并對(duì)鄰二甲苯、間二甲苯和對(duì)二甲苯在溫度范圍為303.15～393.15 K的表面張力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,為其進(jìn)一步的工程應(yīng)用提供基礎(chǔ)的熱物性數(shù)據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

鄰二甲苯、間二甲苯和對(duì)二甲苯分別由比利時(shí)ACROS ORGANICS公司、美國(guó)Alfa Aesar公司和美國(guó)阿拉丁公司提供,純度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))均為99%,使用前未做進(jìn)一步提純,表1列出了其基本的性質(zhì)參數(shù)。

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

懸滴法利用測(cè)定處于重力與表面張力平衡狀態(tài)的液滴外形,獲得待測(cè)液體的表面張力。懸滴外形的幾何關(guān)系如圖1所示,在考慮液體靜壓作用的基礎(chǔ)上,由經(jīng)典Young-Laplace方程推導(dǎo)得歸一化Bashforth-Adams工作方程為

(1)

式中:σ為表面張力;φ表示外形輪廓線某點(diǎn)切線與橫坐標(biāo)夾角;s為弧長(zhǎng);R0為頂點(diǎn)曲率半徑;ρl、ρg分別表示液相和氣相密度;g代表當(dāng)?shù)刂亓铀俣?本文取為9.796 5 m·s-2。

圖1 滴形幾何示意圖

通常定義形狀因子為

(2)

由式(2)可知,在已知流體氣液相密度的情況下,只需通過(guò)全輪廓擬合出R0和β,便可獲得流體的表面張力。與傳統(tǒng)方法相比,懸滴法具有測(cè)量精度較高、適用性廣、樣品用量少和潤(rùn)濕性要求較低的優(yōu)勢(shì)。

本文采用的表面張力測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示,主要由實(shí)驗(yàn)測(cè)試本體、溫度控制及測(cè)量系統(tǒng)和圖像采集及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等組成。其中,實(shí)驗(yàn)本體的作用是布置固定毛細(xì)管、觀察窗和鉑電阻溫度計(jì);溫度控制及測(cè)量系統(tǒng)是為了維持溫度的穩(wěn)定性和均勻性,準(zhǔn)確采集溫度數(shù)據(jù);圖像采集及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)能夠獲取清晰可靠的液滴外形輪廓,并實(shí)現(xiàn)數(shù)字化處理及計(jì)算。

實(shí)驗(yàn)本體采用316不銹鋼,水平固定在填充硅酸鋁纖維的環(huán)氧樹(shù)脂箱體內(nèi),毛細(xì)管垂直固定在本體中,整個(gè)裝置固定在光學(xué)隔振平臺(tái)上,毛細(xì)管外徑為(1.60±0.01) mm。液滴形成使用北京星達(dá)科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的雙柱塞串聯(lián)式往復(fù)平流泵,其流速范圍為0.001～2 mL/min,流量精度高于0.5%。實(shí)驗(yàn)本體溫度控制選擇電加熱方式,采用Fluke2100溫度控制器控溫,溫度測(cè)量采用英國(guó)ASL公司生產(chǎn)的F500高精度交流測(cè)溫電橋和標(biāo)定過(guò)的Pt100鉑電阻溫度計(jì),溫度測(cè)量總的不確定度小于±12 mK,采用XMT616溫度控制模塊對(duì)部分進(jìn)液管路控溫,以保證試樣溫度穩(wěn)定。LED白色冷光源(型號(hào)AFT-BL50)由艾菲特光電技術(shù)有限公司提供,發(fā)光面積為50 mm×50 mm,CMOS相機(jī)(型號(hào)UI-1540LE-M)由德國(guó)IDS公司生產(chǎn),最高分辨率為4 384×3 288,鏡頭由日本Tamron公司提供。

表1 鄰二甲苯、間二甲苯和對(duì)二甲苯的基本性質(zhì)[14]

注:下標(biāo)b代表沸點(diǎn),c代表臨界點(diǎn)。

圖2 懸滴法表面張力實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)檢驗(yàn)

為了檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的精確性和可靠性,本文測(cè)量了溫度范圍在303.15～348.15 K內(nèi)的正庚烷表面張力,每5 K進(jìn)行一次測(cè)量,共計(jì)得到10個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表2。實(shí)驗(yàn)所用正庚烷由比利時(shí)ACROS ORGANICS公司提供,純度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為99.5%。氣液相密度數(shù)據(jù)來(lái)源于NIST REFPROP 9.0[15],不確定度分別為0.1%和0.2%。將正庚烷實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合為van der Waals關(guān)聯(lián)式

(3)

式中:Tc=540.13 K,為臨界溫度;σ0和n為擬合參數(shù),其擬合值分別為55.299 86、1.281 25。本文測(cè)量的正庚烷實(shí)驗(yàn)值與擬合方程和文獻(xiàn)值的比較如圖3所示,實(shí)驗(yàn)值與擬合方程計(jì)算值的最大絕對(duì)偏差為0.028 mN·m-1,平均絕對(duì)偏差為0.013 mN·m-1。從圖3可以看出,本文數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)[13,16-19]的最大絕對(duì)偏差不超過(guò)±0.2 mN·m-1,說(shuō)明本文系統(tǒng)對(duì)表面張力的實(shí)驗(yàn)測(cè)量比較準(zhǔn)確可靠,可滿足表面張力的高精度測(cè)量要求。

圖3 正庚烷表面張力實(shí)驗(yàn)值與擬合方程和文獻(xiàn)值的比較

2.2 表面張力實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本文實(shí)驗(yàn)研究了鄰二甲苯、間二甲苯和對(duì)二甲苯在溫度范圍303.15～393.15 K內(nèi)的表面張力,每5 K進(jìn)行一次測(cè)量,共計(jì)得到57個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。將表面張力數(shù)據(jù)采用方程(3)形式進(jìn)行擬合,擬合值如表4所示。鄰二甲苯、間二甲苯和對(duì)二甲苯表面張力實(shí)驗(yàn)值與擬合方程計(jì)算值的最大絕對(duì)偏差分別為-0.086、-0.098和-0.059 mN·m-1,平均絕對(duì)偏差分別為0.024、0.044和0.025 mN·m-1。

圖4給出了鄰二甲苯、間二甲苯和對(duì)二甲苯的表面張力隨溫度變化的曲線以及實(shí)驗(yàn)值與擬合方程計(jì)算值和文獻(xiàn)值的偏差。3種二甲苯異構(gòu)體的表面張力隨溫度升高逐漸減小,且隨著臨界溫度升高而增大。在整個(gè)測(cè)量溫度區(qū)間內(nèi),實(shí)驗(yàn)值與擬合方程計(jì)算值的偏差不超過(guò)±0.1 mN·m-1。從圖4可以看出,本文獲得的鄰二甲苯、間二甲苯和對(duì)二甲苯計(jì)算方程與文獻(xiàn)值的最大絕對(duì)偏差分別為-0.331、-0.557和0.424 mN·m-1。引起較大偏差的原因可能是測(cè)量方法的差異,例如采用懸滴法[7]測(cè)量的文獻(xiàn)值與本文計(jì)算方程的絕對(duì)偏差基本在±0.2 mN·m-1以內(nèi),采用最大氣泡壓力法[4,6]測(cè)量表面張力需進(jìn)行修正從而引入一定的誤差,其文獻(xiàn)值與本文計(jì)算方程絕對(duì)偏差基本為-0.3和-0.5 mN·m-1。

表2 正庚烷表面張力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3 鄰二甲苯、間二甲苯和對(duì)二甲苯表面張力實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4 鄰二甲苯、間二甲苯和對(duì)二甲苯表面張力與溫度關(guān)系以及與方程計(jì)算值和文獻(xiàn)值比較

本文實(shí)驗(yàn)測(cè)量的不確定度可根據(jù)誤差傳遞公式估計(jì)

(4)

式中:右端各項(xiàng)分別表示溫度T測(cè)量引入的不確定度、氣液相密度計(jì)算引入的不確定度、參數(shù)β及R0擬合引入的不確定度和毛細(xì)管外徑引入的不確定度。

對(duì)于一般待測(cè)液體,1 K溫度變化引起的表面張力值變化小于0.2 mN·m-1,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,溫度波動(dòng)度小于±10 mK,鉑電阻溫度計(jì)和交流電橋測(cè)溫不確定度均為±5 mK,則溫度測(cè)量引入的不確定度一般小于0.04%。液相密度的不確定度分別為±0.1%、±0.2%和±0.01%,故液相密度計(jì)算引入的不確定度取為0.2%,氣相密度計(jì)算的不確定度為0.1%。當(dāng)?shù)刂亓铀俣葴y(cè)量已足夠精確,此項(xiàng)不確定度可忽略不計(jì)。參數(shù)β及R0擬合得到的不確定度分別為0.05%和0.005%。毛細(xì)管外徑作為輸入?yún)?shù)引入的不確定度為1%。綜上分析,表面張力實(shí)驗(yàn)測(cè)量的不確定度不超過(guò)1.1%。

表4 鄰二甲苯、間二甲苯和對(duì)二甲苯表面張力擬合參數(shù)

3 結(jié) 論

本文利用懸滴法實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)鄰二甲苯、間二甲苯和對(duì)二甲苯的表面張力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,溫度范圍為303.15～393.15 K,共計(jì)得到57個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),并擬合得到了表面張力的計(jì)算方程,為其工程應(yīng)用提供了基礎(chǔ)的熱物性數(shù)據(jù)。鄰二甲苯實(shí)驗(yàn)值與擬合方程計(jì)算值的最大絕對(duì)偏差和平均絕對(duì)偏差分別為-0.086和0.024 mN·m-1;間二甲苯實(shí)驗(yàn)值與擬合方程計(jì)算值的最大絕對(duì)偏差和平均絕對(duì)偏差分別為-0.098和0.044 mN·m-1;對(duì)二甲苯實(shí)驗(yàn)值與擬合方程計(jì)算值的最大絕對(duì)偏差和平均絕對(duì)偏差分別為-0.059和0.025 mN·m-1。

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(編輯 荊樹(shù)蓉)

Experimental Research on the Surface Tension ofo-Xylene,m-Xylene andp-Xylene

ZHAO Kang,BI Shengshan,WU Jiangtao

(Key Laboratory of Thermo-Fluid Science and Engineering of MOE, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

The xylene isomers (o-xylene,m-xylene andp-xylene) have been widely used as the raw materials to synthesize of many organic compounds in petrochemical industry and the additives in the gasoline and alternative fuels. The pendant drop method experimental setup was developed and the pure heptane was measured to test the accuracy and the reliability of the setup. To obtain their surface tension and remedy the shortage of the existing data, theo-xylene,m-xylene andp-xylene were measured in the temperature range from 303.15 to 393.15 K and 57 groups of the experimental data were obtained in the present work. These experimental data were used to fit the equations of the surface tension. The absolute deviation between the calculated surface tension from the correlation equation and the experiment results is within ±0.1 mN·m-1. The experimental data and calculated equations obtained in this paper can provide the basic thermal physical data for the engineering application ofo-xylene,m-xylene andp-xylene.

xylene isomers; surface tension; pendant drop method

10.7652/xjtuxb201603008

2015-07-14。 作者簡(jiǎn)介:趙康(1990—),男,碩士生;畢勝山(通信作者),男,副教授。 基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51276142);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(XJJ2012jdhz37)。

時(shí)間:2015-12-08

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20151208.1638.004.html

TK124

:A

:0253-987X(2016)03-0050-05