Høytrykks Sapphire Cell for faselikevekter Målinger av CO₂ / organisk / Water Systems

Summary

Det høye trykket safircelle anordning er et unikt verktøy for å studere, uten sampling, faseoppførsel under et bredt spekter av trykk. Ved hjelp av en cathetometer, kan svært nøyaktige volummålinger registreres for å måle væske ekspansjon og fase komposisjon. Således muliggjør denne syntetiske metoden studiet av (1) faselikevekter av flerkomponent-blandinger, og (2) skilleveggen oppførsel av katalysator-eller modellforbindelser som en funksjon av trykk.

Abstract

Det høye trykket safircelle apparat ble konstruert for visuelt å bestemme sammensetningen av flerfasesystemer uten fysisk sampling. Spesielt gjør safir celle visuell datainnsamling fra flere belastninger å løse et sett av materielle balanserer å bestemme nøyaktig fase komposisjon. Ternært fasediagram kan deretter bli etablert for å bestemme andelen av hver komponent i hver fase ved en gitt betingelse. I prinsippet kan en hvilken som helst ternære system studeres selv om ternære systemer (gass-væske-væske) er de spesifikke eksempler som her er omtalt. For eksempel ble det ternære THF-vann-CO _2-systemet har studert ved 25 og 40 ° C, og er beskrevet her. Sentralt, ikke denne teknikken krever prøvetaking. Omgå den mulige forstyrrelse av systemet likevekt ved sampling, iboende målefeil, og tekniske vanskeligheter i fysisk prøvetaking under trykk er en betydelig fordel med denne teknikken. Perhaps like viktig, safir cellen gjør det også mulig direkte visuell observasjon av faseoppførsel. Faktisk, som CO ₂ trykket økes, homogene THF vann fase deler seg omtrent 2 MPa. Med denne teknikken, var det mulig å enkelt og tydelig observere blakningspunkt og bestemme sammensetningen av de nylig dannede fasene som en funksjon av trykk.

Dataene innhentet med safircellen teknikk kan brukes i mange anvendelser. I vårt tilfelle har vi målt hevelse og komposisjon for tunbare løsemidler, som gassfylte væsker, gassfylte ioniske væsker og Organic Vanndige Tunbare Systems (havre) ^1-4. For det siste system, havre, høytrykkssafircelle aktivert studiet av (1) faseoppførsel som en funksjon av trykk og temperatur, (2) sammensetningen av hver fase (gass-væske-væske) som en funksjon av trykk og Temperaturen og (3) katalysator oppdeling i de to væskefaser som en funksjon av pressikker og komposisjon. Til slutt, er det safir celle et spesielt effektivt verktøy for å samle nøyaktige og reproduserbare målinger i tide.

Introduction

Når reaksjonene blir utført med en hydrofil og en hydrofob katalysator substrat for å danne et hydrofobt produkt, er det ganske vanlig å anvende blandede løsningsmidler for å gi et homogent reaksjonssystem. For eksempel blir THF-vann og acetonitril-vann som vanligvis blandet løsemiddel kjøretøyer for disse homogene reaksjonsprosesser. Ideelt sett ville det være fordelaktig å utvikle en fremgangsmåte hvor reaksjonen blir utført under homogene betingelser, fulgt av en fasesplitt for å separere de vandige og organiske oppløsningsmiddel-komponenter. Den hydrofile katalysator ville da bli plassert i den vandige fasen og den hydrofobe produktet i den organiske fasen. Den samlede prosess vil muliggjøre en lettvint separasjon / isolasjon av produktet og en anordning for å resirkulere katalysatoren. Organiske Vanndige Tunbare Løsemidler (havre) gi et redskap til å oppnå denne strategien. Det første trinn i utviklingen av OATS var å forstå den faseoppførsel av den organiske-vandige oppløsning som en fufunksjons organisk andel / vann, _CO2-trykk og temperatur. Effektiviteten av faseseparasjon ved tilsetning av CO ₂ (dvs. på tvers av oppløselighet i hver fase) er det viktig å kvantifisere. Faktisk fra en prosess ståsted, kan kryss-løselighet sette direkte til produkt og katalysator tap i de uønskede, respektive faser. Det å vite fasesammensetningen som en funksjon av trykket er viktig informasjon for "virkelige" applikasjoner. Prøvemetoder er tilgjengelige, ^5-7 imidlertid direkte prøvetaking fra høytrykkssystemer kan endre likevekten i systemet og resulterer i faseseparasjon eller blinkende som følge av brå endringer i trykk eller temperatur i prøveledningen. Derfor er en fremgangsmåte som ikke forstyrrer systemet og muliggjør rask anskaffelse og reproduserbare data var å foretrekke. Høytrykks safir celle apparat er faktisk et allsidig verktøy for å måle faseoppførsel uten prøvetaking. Usynge en cathetometer, kan svært nøyaktige volummålinger registreres. Disse eksperimentelle volummålinger blir så brukt til Peng-Robinson kubisk tilstandslikning (modifikasjoner av Stryjek og Vera) og modifisert Huron-Vidal blanderegler for effektivt å beregne volumutvidelse og fasesammensetninger som en funksjon av temperatur og trykk ^8-10. Denne teknikken ble utviklet spesielt for å måle faselikevekter av damp-væske-væskesystemer. Det bør understrekes at safir celle ikke er egnet til å studere systemer som involverer tørrstoff. Dataene innhentet med høytrykks safir celle guidet valget av eksperimentelle betingelser for havre medierte reaksjoner, utskilling og resirkulering katalysator. Videre safircellen ble også brukt til å (1) måle oppløsningsmiddel ekspansjon (eller svelling) som en funksjon av CO _2-trykk med organiske løsningsmidler og ioniske væsker, (2) bestemme katalysatorpartisjonering i flerfase-systemer som en funksjon av trykk, løsningsmiddelsystem og temperatur, og (3) forstår faseoppførsel i komplekse reaksjonssystemer foretatt under trykk. Heri, rapporterer vi (1) beskrivelsen av høytrykks safir celle apparat, (2) de mulige begrensninger og sikkerhetsregler, (3) sin driftsprotokoll, og (4) spesifikke bevis på prinsippet resultater.

Den høytrykks safircelle diskutert ovenfor ble skreddersydde (figur 1). Likevekts celle består av en hul sylinder safir (50,8 mm OD x 25.4 ± 0,0001 mm ID x 203.2 mm L). Cellen er delt i to kammere adskilt av et stempel. Den nederste celle inneholder vann som brukes som et trykksettingsfluid (farget blått for demonstrasjonsformål) og den øverste celle inneholder likevekts komponenter (figur 2). Luften bad ble tilpasset bygget av pleksiglass for å passe bestemt innstilling og hette-størrelse. Cellen er plassert inne i et temperaturkontrollert airbath, som opprettholdes med et digitalt temperaturkontrolller. Temperaturen i airbath overvåkes med termoelementer (type K) og digital avlesning. Det er et ekstra termoelement (type K) inne i safircellen som blir også overvåket med en digital avlesning. Trykkene ble målt med en trykktransduser og digital avlesning. To høyt trykk, 500 ml, sprøytepumper som er i stand til å opprettholde trykk opp til 10 MPa var nødvendig for drift. Den første høytrykkssprøytepumpe inneholder vann som brukes for å sette systemet under trykk. Den andre høytrykkspumpe ble brukt for å introdusere CO _à (eller annen gass) i systemet. Gassinnløpet er i toppen av safircellen. Trykket styres med høytrykkssprøytepumpe for å oppnå likevektstrykket på begge sider av stempelet. Cellen er montert på en roterende aksel, og blanding er oppnådd ved manuelt å dreie hele cellen.

Væske og dampvolum beregnes ved å måle høyden av menisken med en micrometer cathetometer. For forskyvninger mindre enn 50 mm, er nøyaktigheten 0,01 mm, for større forskyvninger, er nøyaktigheten 0,1 mm.

Protocol

En. Montering av Sapphire Cell Plasser en 116 størrelse, og støtteringen 210 størrelse O-ringen på stemplet. Kontroller at O-ring materialet er kompatibel med kjemikalier som brukes under forsøket før montering. Noen backing ringene har en flat og en buet kant. Hvis dette er tilfelle, plasseres den flate kanten nedover og den buede kant mot O-ringen. Gjengetangen inn i bunnen av stempelet ved hjelp av en stang med en gjenget spiss (figur 3)….

Representative Results

Den skjematisk av høytrykkssafircelle er vist i figur 2, sammen med et bilde av cellen. Prøven er i den øverste celle og i den nederste celle er vann med blå farge for demonstrasjonsformål. De flytende komponentene er matet via en sprøyte, og ventil, mens CO to (gasskomponent) pumpes gjennom et høytrykkssprøytepumpe. Trykket kan styres gjennom stemplet (vannet blir også matet via høytrykkssprøytepumpe i vårt setup). Væske-og gassfaser kan tydelig ses i cellen, over stempelet. Mon…

Discussion

Den safircelle anordning er et unikt verktøy for måling av faseoppførsel, uten sampling, og derved likevekten ikke er forstyrret. For å sikre nøyaktige repeterbare data, er det kritiske trinn i protokollen (protokoll 4 tittelen "Drift av Sapphire Cell Apparatus") som må følges. For ethvert system hvor fasesammensetningen er målt, er det avgjørende for å oppnå likevekt før måling. Den safircelle er plassert på en roterende aksel som muliggjør blanding til hurtigere oppnå likevekt. Det ternære s…

Materials

Hollow sapphire cylinder	50.8 mm O.D. × 25.4±0.0001 mm I.D. × 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 releive valve (swagelok)
mounting bracket	UNISTRUT  bracket
Hollow spacers	3/4 inch
4 stainless steel bolts, 4 nuts, 2 washers	3/4 inch
3 O-rings	Kalrez, 210 size
3 backing rings	116 size for piston; 2 8210 size for end caps
1 multi-port fitting	HiP
High pressure tubing	Stainless steel, 1/16 in.