Sapphire celular de alta pressão para medições de Equilíbrio de Fases de CO<sub> 2</sub> / Orgânicos / Sistemas de Água
Summary
O aparelho de alta pressão de safira célula é uma ferramenta única para estudar, sem amostragem, o comportamento de fases sob uma ampla gama de pressões. Usando um catetômetro, medições de volume muito precisas podem ser gravados para medir a expansão líquido e composição da fase. Assim, este método de síntese permite o estudo de (1) equilíbrio de fases de misturas de componentes múltiplos e (2) o comportamento de partição de compostos catalisadores ou modelo como uma função da pressão.
Abstract
O aparelho de alta pressão safira celular foi construído para determinar visualmente a composição de sistemas multifásicos sem amostragem física. Especificamente, a célula de safira permite a coleta de dados visuais a partir de múltiplas cargas para resolver um conjunto de balanços de material para determinar com precisão a composição da fase. Diagramas de fase ternário pode então ser estabelecido para determinar a proporção de cada componente em cada fase a uma dada condição. Em princípio, qualquer sistema ternário pode ser estudada, embora os sistemas ternários (gás-líquido-líquido) são os exemplos específicos aqui discutidos. Por exemplo, o sistema ternário de água-THF-CO 2 foi estudada a 25 e 40 ° C e é aqui descrita. De importância fundamental, esta técnica não requer amostragem. Contornando a possível perturbação do equilíbrio do sistema em cima de amostragem, erros de medição inerentes, e as dificuldades técnicas de amostragem fisicamente sob pressão é um benefício significativo desta técnica. Perhaps como importante, a célula de safira também permite a observação visual directa do comportamento da fase. Na verdade, como a pressão de CO 2 é aumentada, os homogéneos THF em água separações em fase de solução a cerca de 2 MPa. Com esta técnica, foi possível observar facilmente e claramente o ponto de nuvem e de determinar a composição das fases de recém-formados como uma função da pressão.
Os dados obtidos com a técnica célula safira pode ser utilizado para muitas aplicações. No nosso caso, nós medimos o inchaço ea composição de solventes ajustáveis, como líquidos preenchidos com gás, líquidos iônicos preenchidos com gás e orgânicas aquosas Sistemas ajustáveis (aveia) 1-4. Para o último sistema, a aveia, a célula de safira de alta pressão permitiu o estudo de (1) comportamento da fase como uma função da pressão e da temperatura, (2) a composição de cada uma das fases (gás-líquido-líquido) como uma função da pressão e temperatura e (3) a decomposição do catalisador nas duas fases líquidas, como uma função de pressãoCertifique-se e composição. Finalmente, a célula de safira é uma ferramenta especialmente eficaz para recolher medições precisas e reprodutíveis em tempo hábil.
Introduction
Quando as reacções são conduzidas com um catalisador hidrófilo e um substrato hidrofóbico para formar um produto hidrófobo, é bastante comum a empregar solventes misturados, a fim de proporcionar um sistema de reacção homogéneo. Por exemplo, THF-água e acetonitrilo-água são geralmente misturados veículos solventes para estes processos de reacção homogéneas. Idealmente, seria vantajoso desenvolver um processo em que a reacção é realizada sob condições homogéneas, seguido por uma separação de fase induzida a separar os componentes de solventes aquosos e orgânicos. O catalisador hidrofílica, então, ser localizado na fase aquosa e o produto hidrofóbica na fase orgânica. O processo global de permitir uma fácil separação / isolamento de produto e um meio para reciclar o catalisador. Orgânicas aquosas ajustáveis Solventes (aveia) fornecer um veículo para realizar esta estratégia. O primeiro passo no desenvolvimento de AVEIA foi compreender o comportamento de fase da solução orgânica-aquosa como um function proporção de orgânicos / água, de CO 2 de pressão e temperatura. A eficiência da separação de fase por adição de CO2 (ou seja, a solubilidade em cruz em cada fase) é importante para quantificar. Na verdade do ponto de vista do processo, cross-solubilidade pode traduzir diretamente a perdas de produtos e catalisador na indesejados, cada fase. Portanto, conhecer a composição da fase em função da pressão é uma informação fundamental para aplicações do "mundo real". Os métodos de amostragem estão disponíveis; 5-7 no entanto, a amostragem directa de sistemas de alta pressão podem alterar o equilíbrio do sistema e resultam na separação de fases ou intermitente, como um resultado de mudanças abruptas na pressão ou a temperatura na linha de amostra. Por isso, um método que não perturbar o sistema e permite a rápida aquisição de dados e reprodutíveis é preferível. O aparelho de alta pressão safira celular é realmente uma ferramenta versátil para medir o comportamento de fase, sem amostragem. Ucantar uma catetômetro, medições de volume muito precisas podem ser gravados. Estas medições de volume experimentais são então utilizadas com a equação cúbica de Peng-Robinson de estado (modificações de Stryjek e Vera) e modificado Huron-Vidal mistura regras para calcular a expansão do volume de forma eficaz e composições de fase como uma função da temperatura e da pressão de 8-10. Esta técnica foi projetado especificamente para medir equilíbrio de fases de sistemas de vapor-líquido-líquido. Ressalte-se que a célula de safira não é adequado para sistemas que envolvem sólidos estudar. Os dados adquiridos com a célula de safira de alta pressão orientou a escolha das condições experimentais para reações mediadas aveia, separações e reciclagem catalisador. Além disso, a célula de safira também foi usado para (1) medida de expansão solvente (ou edema) como uma função da pressão de CO 2 com solventes orgânicos e líquidos iónicos, (2) determinar o particionamento catalisador em sistemas de fases múltiplas, em função da pressão, solventesistema e temperatura e (3) compreender o comportamento de fase em sistemas de reacção complexas conduzidas sob pressão. Relata-se (1) a descrição do aparelho celular de safira de alta pressão, (2) as possíveis limitações e precauções de segurança, (3) o seu protocolo de funcionamento, e (4) a prova específica de resultados principais.
A célula de safira de alta pressão discutida acima foi feito à medida (Figura 1). A célula de equilíbrio consiste em um cilindro oco de safira (50,8 mm de diâmetro externo x 25.4 ± 0,0001 milímetro ID x 203,2 milímetros L). A célula divide-se em duas câmaras separadas por um êmbolo. A célula inferior contém água usada como um fluido de pressurização (azul tingido para fins demonstrativos) e o topo da célula contem os componentes de equilíbrio (Figura 2). O banho de ar foi personalizado construído de Plexiglas para caber configuração específica e capuz-size. A célula é colocada no interior uma temperatura controlada airbath, que é mantida com um controlo de temperatura digitalLER. A temperatura da airbath é monitorizada com termopares (Tipo K) e as leituras digitais. Há um elemento térmico extra (Tipo K) no interior da célula de safira, que também é monitorada com um visor digital. As pressões foram medidas com um transdutor de pressão e de leitura digital. Dois de alta pressão, de 500 ml, bombas de seringa, capaz de manter a pressão acima de 10 MPa foi necessário para a operação. A primeira bomba de seringa de alta pressão contém água que é usado para pressurizar o sistema. A segunda bomba de alta pressão foi usado para introduzir CO2 (ou outro gás) com o sistema. A entrada de gás é, na parte superior da célula de safira. A pressão é controlada com a bomba de seringa de alta pressão para se atingir a pressão de equilíbrio em ambos os lados do pistão. A célula é montada sobre um eixo de rotação, e a mistura é conseguida por rotação manual de toda a célula.
Volumes de líquido e de vapor são calculados medindo a altura do menisco com um micrometer catetômetro. Para deslocamentos de menos do que 50 mm, a exactidão é de 0,01 mm, para os deslocamentos maiores, a exactidão é de 0,1 mm.
Protocol
Representative Results
Discussion
O aparelho celular de safira é uma ferramenta única para medir comportamento de fase, sem amostragem, e, assim, o equilíbrio não é perturbado. Para garantir que os dados precisas e repetíveis, existem etapas críticas do protocolo (Protocolo n ° 4, intitulado "o funcionamento do aparelho celular Sapphire") que devem ser seguidas. Para qualquer sistema em que a composição da fase é medida, que é fundamental para atingir o equilíbrio antes da medição. A célula de safira é colocado sobre um veio r…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
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. |
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