Højtryks-Sapphire Cell til faseligevægte Målinger af CO_2. / Organiske / Water Systems

Summary

Det høje tryk safir apparat celle er et unikt værktøj til at studere, uden prøveudtagning, fase opførsel under en bred vifte af pres. Ved hjælp af en katetometeret, kan optages meget præcise volumen målinger til at måle væske ekspansion og fase sammensætning. Således er denne syntetiske metode gør det muligt at studiet af (1) faseligevægte multi-komponent-blandinger og (2) den partition adfærd katalysator eller modelforbindelser som en funktion af tryk.

Abstract

Det høje tryk safir apparat celle blev konstrueret til at visuelt at bestemme sammensætningen af ​​flerfasesystemer uden fysisk prøveudtagning. Konkret safir cellen muliggør visuel dataindsamling fra flere belastninger til at løse en række væsentlige saldi til præcist at afgøre fase sammensætning. Kan derefter etableres ternære fasediagrammer for at bestemme andelen af ​​hver bestanddel i hver fase ved en given tilstand. I princippet kan enhver ternære system studeres selv ternære systemer (gas-væske-væske) er de specifikke eksempler beskrevet heri. For eksempel blev den ternære THF-Water-CO _2-system studerede ved 25 og 40 ° C og er beskrevet heri. Af afgørende betydning, er denne teknik ikke kræver stikprøver. Omgår mulig forstyrrelse af systemet ligevægt ved prøvetagning, iboende målefejl og tekniske vanskeligheder fysisk prøveudtagning under pres er en væsentlig fordel ved denne teknik. Perhaps så vigtigt, safir celle giver også mulighed for direkte visuel observation af faseopførslen. I virkeligheden, så CO _2-trykket er steget, de homogene THF-vandopløsning fase splits på omkring 2 MPa. Med denne teknik, var det muligt at let og klart observere uklarhedspunktet og bestemme sammensætningen af ​​de nyligt dannede faser som en funktion af tryk.

De erhvervede med safir celleteknik data kan anvendes til mange applikationer. I vores tilfælde, målte vi hævelse og sammensætning for afstemmelige opløsningsmidler, ligesom gas udvidet væsker, gas-ekspanderet ioniske væsker og Økologisk Vandige Afstemmelige Systems (havre) ^1-4. For nyeste system, havre, højtryks-safir celle aktiveret undersøgelse af (1) faseopførsel som en funktion af tryk og temperatur, (2) sammensætningen af ​​hver fase (gas-væske-væske) som en funktion af tryk og temperatur og (3) katalysator opdeling i de to flydende faser, som en funktion af tryksikker og sammensætning. Endelig safir celle er et særligt effektivt redskab til at indsamle nøjagtige og reproducerbare målinger i tide.

Introduction

Når reaktionerne bliver udført med en hydrofil katalysator og et hydrofobt substrat til dannelse af et hydrofobt produkt, er det helt almindeligt at anvende blandede opløsningsmidler for at give en homogen reaktionssystemet. For eksempel er THF-vand og acetonitril-vand almindeligvis blandet køretøjer opløsningsmidler for disse homogene reaktionsprocesser. Ideelt set ville det være fordelagtigt at udvikle en fremgangsmåde, hvor reaktionen udføres under homogene betingelser efterfulgt af en induceret faseopdeling at adskille de vandige og organiske komponenter som opløsningsmiddel. Den hydrofile katalysator ville så blive placeret i den vandige fase og den hydrofobe produkt i den organiske fase. Den samlede proces vil muliggøre en let separation / isolering af produktet og et middel til at recirkulere katalysatoren. Økologiske Vandige Afstemmelige Opløsningsmidler (havre) giver et middel til at opnå denne strategi. Det første skridt i udviklingen af ​​OATS var at forstå opførslen af ​​den økologiske vandig opløsning som et fu fasenction af organisk / vand forhold, CO ₂ tryk og temperatur. Effektiviteten af faseseparation ved tilsætning af CO ₂ (dvs. på tværs af opløselighed i hver fase) er vigtig at kvantificere. I virkeligheden fra en proces synspunkt, kan cross-opløselighed oversætte direkte til produkt-og katalysator tab i de uønskede, respektive faser. Derfor kende fase sammensætning som en funktion af tryk er vigtige oplysninger for "den virkelige verden" applikationer. Prøvetagningsmetoder er til rådighed, ^5-7 dog kan direkte prøvetagning fra højtrykssystemer ændre balancen i systemet og resultere i fase separation eller blinker som følge af pludselige ændringer i tryk eller temperatur i prøven linje. Derfor er en metode, der ikke forstyrrer systemet og muliggør hurtig erhvervelse og reproducerbare data var at foretrække. Det høje tryk safir apparat celle er faktisk et alsidigt værktøj til at måle fase adfærd uden prøveudtagning. Usynge en katetometeret, kan optages meget præcise volumen målinger. Disse eksperimentelle volumenmålinger anvendes derefter med Peng-Robinson kubiske ligning af statens (ændringer af stryjek og Vera) og modificeret Huron-Vidal blande regler for effektivt at beregne volumen ekspansion og fasesammensætninger som en funktion af temperatur og tryk ^8-10. Denne teknik er specielt designet til at måle faseligevægte af damp-væske-væske-systemer. Det skal fremhæves, at den safir cellen ikke er velegnet til at studere systemer, der involverer faste stoffer. De tilkøbte med højtryks-safir celle vejledt valget af eksperimentelle betingelser for havre medierede reaktioner, separationer og katalysator genbrug af data. Endvidere blev safir celle også anvendes til (1) at måle opløsningsmiddel ekspansion (eller hævelse) som en funktion af CO _2-tryk med organiske opløsningsmidler og ioniske væsker, (2) at bestemme katalysator partitionering flerfasede systemer som en funktion af tryk, opløsningsmiddelsystemet og temperatur og (3) forstå faseopførsel i komplekse reaktionssystemer udført under pres. Heri, rapporterer vi (1) beskrivelsen af ​​apparatur safir celle højt tryk, (2) de eventuelle begrænsninger og sikkerhedsforanstaltninger, (3) sin drift-protokollen, og (4) en specifik proof of principle resultater.

Den højtryks-safir celle omtalt ovenfor var skræddersyet (Figur 1). Ligevægten celle består af en hul cylinder safir (50,8 mm OD x 25.4 ± 0,0001 mm ID x 203,2 mm L). Cellen er opdelt i to kamre adskilt af et stempel. Den nederste celle indeholder vand som en presse væske (farvet blå for demonstrative formål) og den øverste celle indeholder ligevægtsegenskaberne komponenter (figur 2). Luften bad var specialfremstillet konstrueret af plexiglas til at passe bestemt indstilling og hætte størrelse. Cellen er anbragt i et temperaturstyret airbath, som holdes med en digital temperaturkontroller. Temperaturen i airbath overvåges med termoelementer (Type K) og digitale udlæsninger. Der er en ekstra termoelement (Type K) inde safir celle, der også overvåges med en digital udlæsning. Trykkene blev målt med en tryktransducer og digital udlæsning. To højt tryk, 500 ml, sprøjtepumper kan opretholde tryk op til 10 MPa var nødvendige for drift. Den første højtryks sprøjtepumpe indeholder vand, der bruges til at sætte systemet under tryk. Den anden højtrykspumpe blev anvendt til at indføre _CO2 (eller anden gas) til systemet. Gasindløbet er øverst safir celle. Trykket styres med højtryks sprøjtepumpe for at opnå ligevægtstrykket på begge sider af stemplet. Cellen er monteret på en roterende aksel, og blanding opnås ved manuelt at dreje hele cellen.

Mængder væske og damp beregnes ved at måle højden af ​​menisken med en micrometer katetometeret. For forskydninger mindre end 50 mm, nøjagtigheden er 0,01 mm for større forskydninger, nøjagtigheden er 0,1 mm.

Protocol

1.. Forsamling Sapphire Cell Placer en 116 størrelse opbakning ringen og 210 størrelse O-ring på stemplet. Kontroller, at O-ring materiale er kompatibelt med kemikalier, der anvendes under forsøget før samling. Nogle backing ringe har en flad og en buet kant. Hvis dette er tilfældet, placerer den flade kant nedad og den buede kant mod O-ringen. Tråd stang i bunden af stemplet ved hjælp af en stang med en gevindspids (figur 3). </l…

Representative Results

Den skematiske af højtryks-safir celle er vist i figur 2, sammen med et billede af cellen. Prøven er i den øverste celle og i den nederste celle er vand med blåt farvestof til demonstrationsbrug. De flydende bestanddele tilføres via en sprøjte og ventil, mens CO 2 (gaskomponent) pumpes gennem en højtryks sprøjtepumpe. Trykket kan styres ved hjælp af stemplet (vandet ledes også via højtryks sprøjtepumpe i vores setup). De flydende og gasfaser kan tydeligt ses i cellen, over stemple…

Discussion

Apparat safir celle er et unikt værktøj til at måle fase adfærd uden prøveudtagning og dermed ligevægt er ikke forstyrret. For at sikre nøjagtige gentagelige data, der er kritiske trin i protokollen (protokol 4 med titlen "Betjening af Sapphire Cell Apparatur"), som skal følges. For ethvert system, i hvilket fasesammensætning måles, er det vigtigt at nå ligevægt før måling. Safir celle er placeret på en roterende aksel, der letter blanding til mere hurtigt at opnå ligevægt. Det ternære system…

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.