Name: Wysokociśnieniowa cela szafirowa do pomiarów równowagi fazowej w systemach CO2 / organicznych / wodnych (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-01-24T15:30:00.000+00:00
Duration: 5 min 46 s
Description: Poznaj metodę pomiaru równowagi fazowej mieszaniny woda-acetonitryl pod ciśnieniem CO₂ przy użyciu wysokociśnieniowej celi szafirowej. Technika ta umożliwia precyzyjne badanie zachowania układów wieloskładnikowych bez pobierania próbek.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

1. Montaż szafirowej komórki
<ol>
	<li>Umieść pierścień oporowy o rozmiarze 116 i pierścień uszczelniający o przekroju okrągłym 210 na tłoku. Przed montażem sprawdź, czy materiał O-ringu jest kompatybilny z chemikaliami używanymi podczas eksperymentu.
	<ol>
		<li>Niektóre pierścienie oporowe mają płaską i zakrzywioną krawędź. W takim przypadku przyłóż płaską krawędź do dołu, a zakrzywioną krawędź do O-ringu.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Wkręcić pręt w dno tłoka za pomocą pręta z gwintowaną końcówką (Rysunek 3).</li>
	<li>Owiń pręt warstwą ręcznika laboratoryjnego (lub innych nieściernych chusteczek laboratoryjnych), aby zapobiec zarysowaniu podczas wkładania tłoka do ogniwa.</li>
	<li>Włóż tłok do ogniwa. Ten krok może być trudny, więc należy użyć siły. Jednak ważne jest, aby upewnić się, że tylko O-ring styka się ze ścianą komórkową.</li>
	<li>Umieść pierścień oporowy o rozmiarze 8210 i pierścień uszczelniający o przekroju okrągłym o rozmiarze 210 na górnej i dolnej zaślepce końcowej (Rysunek 4). Uwaga: dolna zaślepka końcowa to strona wodna z dołączoną złączką. Należy uważać, aby podczas wkładania zaślepek tylko O-ring stykał się ze ścianą komórkową.</li>
	<li>Dopasuj zaślepki końcowe i włóż dwie przez wspornik montażowy i przez aluminiowe podkładki dystansowe.</li>
	<li>Luźno przymocuj nakrętki.</li>
	<li>Włóż pozostałe dwie przez aluminiowe przekładki i otwory zaślepki.</li>
	<li>Luźno przymocuj nakrętki.</li>
	<li>Dokręć wszystkie nakrętki momentem 8-10 ft/lbs.</li>
	<li>Zamontuj zmontowaną komórkę do wspornika na obracającym się wale, wkręcając przez spód szafirowej komórki, a następnie przez obracający się wał. 
	Uwagi dotyczące bezpieczeństwa:
	<ol>
		<li>Zamontuj zmontowaną celę tak, aby otwór zaworu na górnej zaślepce końcowej (do dodania próbki) był skierowany w stronę przeciwną do użytkownika w przypadku wystąpienia katastrofalnej awarii.</li>
		<li>Umieść górną część zaworu iglicowego tak, aby była skierowana w stronę przeciwną do użytkownika.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Przymocuj wszystkie złączki wysokociśnieniowe, rurki i termoparę do górnej i dolnej zaślepki. Podłącz rurkę wysokociśnieniową, aby zawierała zawór bezpieczeństwa po stronie ciśnieniowej szafirowego ogniwa. Umieszczony zawór bezpieczeństwa z dala od użytkownika i sprzętu elektrycznego (upust ciśnienia spowoduje uwolnienie wody).</li>
</ol>
2. Bezpieczne obchodzenie się z szafirową komórką
Uwaga: Nie dotykaj szafirowej komórki gołymi rękami. Przenoszenie oleju ze skóry może powodować powstawanie mikropęknięć lub zadrapań. Nie umieszczaj szafirowej komórki na stole laboratoryjnym bez zabezpieczenia. Twarda powierzchnia prawdopodobnie porysuje ogniwo lub istnieje ryzyko stoczenia się ogniwa. Zawsze sprawdzaj ogniwo pod kątem pęknięć lub wad przed użyciem. Umieść łaźnię powietrzną w dolnym położeniu podczas pracy ogniwa pod ciśnieniem. Kąpiel powietrzna służy dwóm celom: (1) do kontrolowania temperatury, gdy jest to konieczne, oraz (2) do zapewnienia bariery między osobą a zawartością ogniwa pod ciśnieniem w przypadku katastrofalnej awarii.
<ol>
	<li>Przeprowadzaj próbę ciśnieniową szafirowego ogniwa co 12 cykli ciśnieniowych. Cykl ciśnienia polega na zwiększaniu ciśnienia powyżej atmosfery, a następnie rozhermetyzowaniu. Jeśli nie jest często używany, należy przeprowadzić próbę ciśnieniową ogniwa co cztery miesiące. Kompletna próba ciśnieniowa ze stroną roboczą wypełnioną wodą. 
	Uwaga dotycząca bezpieczeństwa: Próba ciśnieniowa musi być zakończona nieściśliwym płynem (np. wodą), jeśli urządzenie ulegnie awarii pod ciśnieniem.
	<ol>
		<li>Podłączyć wysokociśnieniową pompę strzykawkową wypełnioną wodą do przyłącza wlotu próbki (górna część celi) i całkowicie napełnić kuwetę.</li>
		<li>Zamknąć zawór wlotowy próbki.</li>
		<li>Uruchomić pompę strzykawkową tak, aby kilka kropel wody opuściło przewód wysokociśnieniowy. Ma to na celu upewnienie się, że przed podłączeniem w przewodzie nie ma powietrza.</li>
		<li>Przymocuj rurkę do szafirowej złączki ogniwa na dole szafirowej komórki.</li>
		<li>Napełnij dolną komórkę wodą, aby zwiększyć ciśnienie i monitorować ciśnienie, aby wykryć ewentualny spadek ciśnienia.</li>
		<li>Stopniowo zwiększaj ciśnienie o 0,1 MPa w stosunku do ustawienia zaworu bezpieczeństwa. Zbierz wodę uwalnianą z zaworu bezpieczeństwa do małego pojemnika.</li>
		<li>Zmniejsz ciśnienie do atmosferycznego.</li>
		<li>Zresetuj zawór bezpieczeństwa i wysokociśnieniowe pompy strzykawkowe.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. Działanie aparatu szafirowej
<ol>
	<li>Napełnij wysokociśnieniową pompę strzykawkową wodą w przybliżeniu do połowy. Ilość wody, która będzie wymagana, zostanie określona przez ciśnienie, przy którym eksperyment zostanie przeprowadzony. Uwaga: Nie napełniaj całkowicie wysokociśnieniowej pompy strzykawkowej, aby w razie potrzeby system mógł ulec rozhermetyzowaniu.</li>
	<li>Uruchomić wysokociśnieniową pompę strzykawkową tak, aby kilka kropel wody opuściło przewód. Ma to na celu upewnienie się, że przed podłączeniem w przewodzie nie ma powietrza.</li>
	<li>Podłącz rurkę do szafirowej złączki ogniwa.</li>
	<li>Otwórz zawór wlotowy gazu.</li>
	<li>Napełnij kuwetę wodą, aż tłok znajdzie się na poziomie, na którym można zmierzyć wysokość cieczy za pomocą cewtometru. Uwaga: Jeśli zawór wlotowy gazu nie jest otwarty, w układzie znajdzie się ciśnienie.</li>
	<li>Zamknij zawór wlotowy gazu.</li>
	<li>Przymocować hermetyczną strzykawkę do przyłącza wlotu próbki (otwartego) i opróżnić celę, odciągając 10 ml.</li>
	<li>Zamknąć zawór wlotowy próbki.</li>
	<li>Lekko docisnąć hermetyczną strzykawkę, powoli otwierając zawór wlotowy próbki</li>
	<li>Ponownie wstrzyknąć objętość próbki za pomocą hermetycznej strzykawki przymocowanej do wlotu próbki. Uwaga: w zależności od rozmiaru strzykawki, szafirowa komórka może wymagać odwrócenia na obracającym się wale, ponieważ kąpiel powietrzna nie może być całkowicie podniesiona ponad celę.</li>
	<li>Zamknij zawór.</li>
	<li>Zmasować strzykawkę przed i po dodaniu próbki. Zmierzyć ilość próbki, rejestrując masę strzykawki przed i po dodaniu. Z tą metodą wiąże się mały błąd spowodowany nieznaną ilością próbki pozostałej w rurkach i złączkach.</li>
	<li>Ustaw łaźnię powietrzną na żądaną temperaturę.</li>
	<li>Poczekaj, aż próbka dojdzie do równowagi przed wykonaniem pierwszego pomiaru wysokości za pomocą cewtometru. Aby upewnić się, że równowaga została osiągnięta, powtarzaj pomiary, aż nie zaobserwuje się żadnej zmiany przez co najmniej 3x. Czas do osiągnięcia równowagi jest w dużym stopniu zależny od systemu i może wynosić od minut do godzin. Wykonaj badanie wstępne, w którym system jest obserwowany przez dłuższy czas (24 godziny), aby upewnić się, że została osiągnięta równowaga.</li>
	<li>Zalać linię CO2 . Dodaj CO2, najpierw uruchamiając wysokociśnieniową pompę strzykawkową, aby wyrzucić powietrze z przewodu (nie podłączonego zaworu wlotowego).</li>
	<li>Przymocuj rurkę do zaworu wlotowego gazu.</li>
	<li>Otwórz zawór wlotowy gazu do szafirowej komórki. Zmierzyć ilość CO2 dodanego do systemu, rejestrując objętość wysokociśnieniowej pompy strzykawkowej przed i po dodaniu CO2 .</li>
	<li>Sprawdź, czy natężenie przepływu w wysokociśnieniowej pompie strzykawkowej wody wynosi zero (po osiągnięciu równowagi), aby upewnić się, że nie ma wycieków.</li>
	<li>Doprowadzić ciśnienie do żądanej wartości, regulując płyn pod ciśnieniem (wodę) za pomocą wysokociśnieniowej pompy strzykawkowej.</li>
</ol>
4. Czyszczenie szafirowej komórki
Po zakończeniu eksperymentu, wyczyść szafirową komórkę. Wyczyść ogniwo, wielokrotnie myjąc je rozpuszczalnikami. Zdemontuj ogniwo (patrz Protokół 5) w celu wyczyszczenia w razie potrzeby.
<ol>
	<li>Wstrzyknąć około 10 ml rozpuszczalnika, w którym próbka jest rozpuszczalna.</li>
	<li>Potrząśnij ogniwem na obracającym się wale, aby wyczyścić ścianki i tłok.</li>
	<li>Odwróć szafirową komórkę i otwórz zawór wlotowy próbki, aby opróżnić zawartość celi.</li>
	<li>Powtórz procedurę.</li>
	<li>Powtórz procedurę z acetonem jako rozpuszczalnikiem.</li>
	<li>Sucha komórka: otwórz wszystkie zawory i podgrzej łaźnię powietrzną.</li>
</ol>
5. Demontaż szafirowej komórki
<ol>
	<li>Wyjmij rurkę ze złączek. Uwaga: Woda spłynie z dna szafirowej komórki. Wyjęcie tłoka z szafirowego ogniwa jest trudne, jeśli znajduje się on w połowie wysokości ogniwa po zdemontowaniu systemu.</li>
	<li>Spuść wodę z powrotem do wysokociśnieniowej pompy strzykawkowej.
	<ol>
		<li>Zamknąć zawór wlotowy próbki i zwiększyć ciśnienie w komórce za pomocą CO2 .</li>
		<li>Napełnij wysokociśnieniową pompę strzykawkową (<5 ml/min).</li>
		<li>Nie napełniaj ponownie wysokociśnieniowej pompy strzykawkowej, jeśli ogniwo nie jest pod ciśnieniem. Jeśli ogniwo jest nadal pod ciśnieniem po spuszczeniu wody z powrotem do pompy wysokiego ciśnienia: otwórz zawór wlotowy gazu, aby odpowietrzyć okap.</li>
		<li>Wyjmij rurkę doprowadzającą wodę z szafirowej komórki.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Poluzuj nakrętki i dystansowe.</li>
	<li>Wyjmij. Upewnij się, że żaden metal nie styka się z ogniwem.
	<ol>
		<li>Jeśli nie wysuwają się łatwo, dotknij.</li>
		<li>Zdejmij zaślepki prosto, nie dotykając komórki.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Zdejmij tłok z prętem gwintowanym owiniętym ręcznikiem.</li>
</ol>

<ol><li>Hallett, J. P., Pollet, P., Eckert, C. A., Liotta, C. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Recycling+homogeneous+catalysts+for+sustainable+technology%5BTitle%5D)+AND+%22Catal.+Org.+React%22%5BJournal%5D)">Recycling homogeneous catalysts for sustainable technology.</a> Catal. Org. React. 115, 395-404 (2007).</li>
<li>Hallett, J. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hydroformylation+catalyst+recycle+with+gas-expanded+liquids%5BTitle%5D)+AND+%22Ind.+Eng.+Chem.+Res%22%5BJournal%5D)">Hydroformylation catalyst recycle with gas-expanded liquids.</a> Ind. Eng. Chem. Res. 47, 2585-2589 (2008).</li>
<li>Pollet, P., Hart, R. J., Eckert, C. A., Liotta, C. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Organic+Aqueous+Tunable+Solvents+%28OATS%29%3A+A+Vehicle+for+Coupling+Reactions+and+Separations%5BTitle%5D)+AND+%22Accounts+Chem.+Res%22%5BJournal%5D)">Organic Aqueous Tunable Solvents (OATS): A Vehicle for Coupling Reactions and Separations.</a> Accounts Chem. Res. 43, 1237-1245 (2010).</li>
<li>Fadhel, A. Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Exploiting+Phase+Behavior+for+Coupling+Homogeneous+Reactions+with+Heterogeneous+Separations+in+Sustainable+Production+of+Pharmaceuticals%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Chem.+Eng.+Data%22%5BJournal%5D)">Exploiting Phase Behavior for Coupling Homogeneous Reactions with Heterogeneous Separations in Sustainable Production of Pharmaceuticals.</a> J. Chem. Eng. Data. 56, 1311-1315 (2011).</li>
<li>Briones, J. A., Mullins, J. C., Thies, M. C., Kim, B. U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ternary+Phase-Equilibria+for+Acetic+Acid-Water+Mixtures+with+Supercritical+Carbon+Dioxide%5BTitle%5D)+AND+%22Fluid+Phase+Equilib%22%5BJournal%5D)">Ternary Phase-Equilibria for Acetic Acid-Water Mixtures with Supercritical Carbon Dioxide.</a> Fluid Phase Equilib. 36, 235-246 (1987).</li>
<li>Wendland, M., Hasse, H., Maurer, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multiphase+High-Pressure+Equilibria+of+Carbon-Dioxide-Water-Isopropanol%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Supercrit.+Fluid%22%5BJournal%5D)">Multiphase High-Pressure Equilibria of Carbon-Dioxide-Water-Isopropanol.</a> J. Supercrit. Fluid. 6, 211-222 (1993).</li>
<li>Traub, P., Stephan, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-Pressure+Phase-Equilibria+of+the+System+CO2+Water+Acetone+Measured+with+a+New+Apparatus%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Eng.+Sci%22%5BJournal%5D)">High-Pressure Phase-Equilibria of the System CO2 Water Acetone Measured with a New Apparatus.</a> Chem. Eng. Sci. 45, 751-758 (1990).</li>
<li>Peng, D. -Y., Robinson, D. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+New+Two-Constant+Equation+of+State%5BTitle%5D)+AND+%22Ind.+Eng.+Chem.+Fund%22%5BJournal%5D)">A New Two-Constant Equation of State.</a> Ind. Eng. Chem. Fund. 15, 59-64 (1976).</li>
<li>Stryjek, R., Vera, J. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((PRSV+-+An+Improved+Peng-Robinson+Equation+of+State+with+New+Mixing+Rules+for+Strongly+Nonideal+Mixtures%5BTitle%5D)+AND+%22Can.+J.+Chem.+Eng%22%5BJournal%5D)">PRSV - An Improved Peng-Robinson Equation of State with New Mixing Rules for Strongly Nonideal Mixtures.</a> Can. J. Chem. Eng. 64, 334-340 (1986).</li>
<li>Michelsen, M. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+Modified+Huron-Vidal+Mixing+Rule+for+Cubic+Equations+of+State%5BTitle%5D)+AND+%22Fluid+Phase+Equilib%22%5BJournal%5D)">A Modified Huron-Vidal Mixing Rule for Cubic Equations of State.</a> Fluid Phase Equilib. 60, 213-219 (1990).</li>
<li>Lazzaroni, M. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-pressure+phase+equilibria+of+some+carbon+dioxide-organic-water+systems%5BTitle%5D)+AND+%22Fluid+Phase+Equilib%22%5BJournal%5D)">High-pressure phase equilibria of some carbon dioxide-organic-water systems.</a> Fluid Phase Equilib. 224, 143-154 (2004).</li>
<li>Lazzaroni, M. J., Bush, D., Brown, J. S., Eckert, C. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-pressure+vapor-liquid+equilbria+of+some+carbon+dioxide+plus+organic+binary+systems%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Chem.+Eng.+Data%22%5BJournal%5D)">High-pressure vapor-liquid equilbria of some carbon dioxide plus organic binary systems.</a> J. Chem. Eng. Data. 50, 60-65 (2005).</li>
<li>Lazzaroni, M. J., Bush, D., Eckert, C. A., Glaser, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-pressure+vapor-liquid+equilibria+of+argon+plus+carbon+dioxide%2B2-propanol%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Supercrit.+Fluid%22%5BJournal%5D)">High-pressure vapor-liquid equilibria of argon plus carbon dioxide+2-propanol.</a> J. Supercrit. Fluid. 37, 135-141 (2006).</li>
<li>Laugier, S., Richon, D., Renon, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Simultaneous+Determination+of+Vapor-Liquid+Equilibiria+and+Volumetric+Properties+of+Ternary+Systems+with+a+New+Experimental+Apparatus%5BTitle%5D)+AND+%22Fluid+Phase+Equilib%22%5BJournal%5D)">Simultaneous Determination of Vapor-Liquid Equilibiria and Volumetric Properties of Ternary Systems with a New Experimental Apparatus.</a> Fluid Phase Equilib. 54, 19-34 (1990).</li>
<li>Fontalba, F., Richon, D., Renon, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Simultaneous+determination+of+vapor--liquid+equilibria+and+saturated+densities+up+to+45+MPa+and+433%5BTitle%5D)+AND+%22%22%5BJournal%5D)">Simultaneous determination of vapor--liquid equilibria and saturated densities up to 45 MPa and 433.</a> 55, 944-951 (1984).</li>
<li>Lazzaroni, M. J. Georgia Institute of Technology. , (2004).</li>
<li>Diandreth, J. R., Ritter, J. M., Paulaitis, M. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Experimental-Technique+for+Determining+Mixture+Compositions+and+Molar+Volumes+of+3+or+More+Equilibrium+Phases+at+Elevated+Pressures%5BTitle%5D)+AND+%22Ind.+Eng.+Chem.+Res%22%5BJournal%5D)">Experimental-Technique for Determining Mixture Compositions and Molar Volumes of 3 or More Equilibrium Phases at Elevated Pressures.</a> Ind. Eng. Chem. Res. 26, 337-343 (1987).</li>
</ol>

Autorzy nie mają konkurencyjnych interesów finansowych ani konfliktów interesów.

Aparat szafirowy jest unikalnym narzędziem do pomiaru zachowania fazowego bez pobierania próbek, dzięki czemu równowaga nie jest zakłócona. Aby zapewnić dokładne, powtarzalne dane, w protokole (Protokół 4 zatytułowany "Działanie aparatu szafirowego") znajdują się krytyczne kroki, których należy przestrzegać. W przypadku każdego układu, w którym mierzy się skład fazowy, kluczowe znaczenie ma osiągnięcie równowagi przed pomiarem. Szafirowa komórka jest umieszczona na obracającym się wale, który ułatwia mieszanie w celu szy...

Gdy reakcje są przeprowadzane z hydrofilowym katalizatorem i hydrofobowym substratem w celu utworzenia produktu hydrofobowego, dość często stosuje się mieszane rozpuszczalniki w celu uzyskania jednorodnego systemu reakcji. Na przykład woda THF i woda acetonitrylowa są zwykle mieszanymi nośnikami rozpuszczalników dla tych jednorodnych procesów reakcyjnych. Idealnie byłoby opracować proces, w którym reakcja odbywa się w jednorodnych warunkach, po której następuje indukowany podział fazy w celu oddzielenia składników wodnych i organicznych rozpuszczalników. Katalizator hydrofilowy znajdowałby się wówczas w fazie wodnej, a produkt hydrofobowy w fazie organicznej. Cały proces umożliwiłby łatwą separację/izolację produktu i sposób na recykling katalizatora. Organiczne wodne rozpuszczalniki przestrajalne (OATS) stanowią narzędzie do realizacji tej strategii. Pierwszym krokiem w kierunku opracowania OATS było zrozumienie zachowania fazowego wodnego roztworu organiczno-wodnego w funkcji proporcji substancji organicznych do wody, ciśnienia CO2 i temperatury. Skuteczność rozdzielania faz po dodaniu CO2 (tj. rozpuszczalność krzyżowa w każdej fazie) jest ważna do ilościowego określenia. W rzeczywistości z punktu widzenia procesu, rozpuszczalność krzyżowa może przekładać się bezpośrednio na straty produktu i katalizatora w niepożądanych fazach. Dlatego znajomość składu fazowego w funkcji ciśnienia jest kluczową informacją dla zastosowań "w świecie rzeczywistym". Dostępne są metody pobierania próbek; 5-7 Bezpośrednie pobieranie próbek z układów wysokociśnieniowych może jednak zmienić równowagę układu i spowodować separację faz lub migotanie w wyniku nagłych zmian ciśnienia lub temperatury w przewodzie pobierania próbek. Dlatego preferowana była metoda, która nie zaburza pracy systemu i umożliwia szybkie pozyskiwanie i odtwarzalność danych. Wysokociśnieniowy aparat szafirowy jest rzeczywiście wszechstronnym narzędziem do pomiaru zachowania fazowego bez pobierania próbek. Za pomocą cewtometru można rejestrować bardzo precyzyjne pomiary objętości. Te eksperymentalne pomiary objętości są następnie wykorzystywane z sześciennym równaniem stanu Penga-Robinsona (modyfikacje Stryjka i Very) oraz zmodyfikowanymi regułami mieszania Hurona-Vidala w celu efektywnego obliczenia rozszerzalności objętości i składu fazowego w funkcji temperatury i ciśnienia8-10. Technika ta została specjalnie zaprojektowana do pomiaru równowagi fazowej układów para-ciecz-ciecz. Należy podkreślić, że komórka szafirowa nie nadaje się do badania systemów, które zawierają ciała stałe. Dane uzyskane za pomocą wysokociśnieniowej szafirowej komórki pomogły w wyborze warunków eksperymentalnych dla reakcji, separacji i recyklingu katalizatorów za pośrednictwem OATS. Ponadto ogniwo szafirowe wykorzystano również do (1) pomiaru rozszerzania się rozpuszczalnika (lub pęcznienia) w funkcji ciśnienia CO2 z rozpuszczalnikami organicznymi i cieczami jonowymi, (2) określenia podziału katalizatora w układach wielofazowych w funkcji ciśnienia, układu rozpuszczalnika i temperatury oraz (3) zrozumienia zachowania faz w złożonych układach reakcyjnych prowadzonych pod ciśnieniem. W niniejszym dokumencie przedstawiamy (1) opis wysokociśnieniowej aparatury szafirowej, (2) możliwe ograniczenia i środki ostrożności, (3) jej protokół działania oraz (4) konkretne wyniki dowodu zasadności.
Wysokociśnieniowa komórka szafirowa omówiona powyżej została wykonana na zamówienie (Rysunek 1). Komórka równowagi składa się z pustego szafirowego cylindra (50,8 mm średnicy zewnętrznej x 25,4±0,0001 mm średnicy wewnętrznej x 203,2 mm dł.). Komórka jest podzielona na dwie komory oddzielone tłokiem. Dolna komórka zawiera wodę używaną jako płyn pod ciśnieniem (barwioną na niebiesko w celach demonstracyjnych), a górna komórka zawiera składniki równowagi (ryc. 2). Wanna powietrzna została wykonana na zamówienie z pleksiglasu, aby pasowała do konkretnego ustawienia i rozmiaru okapu. Ogniwo jest umieszczone w łaźni powietrznej o kontrolowanej temperaturze, która jest utrzymywana za pomocą cyfrowego regulatora temperatury. Temperatura kąpieli powietrznej jest monitorowana za pomocą termopar (typ K) i odczytów cyfrowych. Wewnątrz szafirowej celi znajduje się dodatkowa termopara (typ K), która jest również monitorowana za pomocą cyfrowego odczytu. Ciśnienia mierzono za pomocą przetwornika ciśnienia i odczytu cyfrowego. Do pracy potrzebne były dwie wysokociśnieniowe pompy strzykawkowe o pojemności 500 ml, zdolne do utrzymania ciśnienia do 10 MPa. Pierwsza wysokociśnieniowa pompa strzykawkowa zawiera wodę, która jest używana do zwiększania ciśnienia w systemie. Druga pompa wysokociśnieniowa została użyta do wprowadzenia CO2 (lub innego gazu) do systemu. Wlot gazu znajduje się w górnej części szafirowego ogniwa. Ciśnienie jest kontrolowane za pomocą wysokociśnieniowej pompy strzykawkowej w celu uzyskania równowagi ciśnienia po obu stronach tłoka. Cela jest zamontowana na obracającym się wale, a mieszanie odbywa się poprzez ręczne obracanie całej komórki.
Objętości cieczy i pary są obliczane poprzez pomiar wysokości menisku za pomocą cetetometru mikrometrycznego. W przypadku przemieszczeń mniejszych niż 50 mm dokładność wynosi 0,01 mm; W przypadku większych przemieszczeń dokładność wynosi 0,1 mm.

<table><tbody><tr><td>Pusty cylinder</td><td></td><td></td> szafirowy <td>50,8 mm OD x 25,4&plusmn; 0,0001 mm ID x 203,2 mm L</td></tr><tr><td>Płyn pod ciśnieniem</td><td>Woda</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Pompy strzykawkowe</td><td>Teledyne Isco Model 500D</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Cyfrowy regulator temperatury</td><td>Omega CN76000</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Cyfrowe odczyty</td><td>HH-22 Termopary Omega</td><td></td><td></td></tr><tr><td></td><td>Omega Typ K</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Przetwornik ciśnienia i odczyt</td><td>Druck, DPI 260, PDCR 910</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Klasa CO2</td><td></td><td></td><td>SCF</td></tr><tr><td>Kategoria Badacz</td><td>Gaertner Scientific Corporation lub dowolni dostawcy</td><td></td><td></td>laboratoriów naukowych</tr><tr><td>Zawór nadmiarowy</td><td>Sprężynowy zawór upustowy (Swagelok)</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Wspornik montażowy</td> Wspornik <td></td><td></td><td>Unistrut</td></tr><tr><td>Puste podkładki dystansowe</td><td></td><td></td><td>3/4 cala</td></tr><tr><td>4 ze stali nierdzewnej, 4 nakrętki, 2 podkładki</td><td></td><td></td><td>O-ringi 3/4 w</td></tr><tr><td>3&nbsp;</td><td>Kalrez, 210 rozmiar</td><td></td><td></td></tr><tr><td>3 pierścienie oporowe&nbsp;</td><td></td><td></td><td>Rozmiar 116 dla tłoka; Rozmiar 2 8210 dla zaślepek</td></tr><tr><td>1 złączka wieloportowa</td><td>HiP</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Przewody</td><td></td><td></td> wysokociśnieniowe <td>Stal nierdzewna, 1/16 cala</td></tr></tbody></table>

wysokociśnieniowa cela szafirowa do pomiarów równowagi fazowej w systemach co2 / organicznych / wodnych

High-pressure Sapphire Cell for Phase Equilibria Measurements of CO2/Organic/Water Systems

Wysokociśnieniowy aparat szafirowy został skonstruowany w celu wizualnego określenia składu systemów wielofazowych bez fizycznego pobierania próbek. W szczególności cela szafirowa umożliwia wizualne gromadzenie danych z wielu obciążeń w celu rozwiązania zestawu bilansów materiałowych w celu precyzyjnego określenia składu fazowego. Następnie można ustalić trójskładnikowe diagramy fazowe, aby określić proporcję każdego składnika w każdej fazie w danym stanie. W zasadzie każdy układ trójskładnikowy może być badany, chociaż układy trójskładnikowe (gaz-ciecz-ciecz) są konkretnymi przykładami omówionymi w niniejszym dokumencie. Na przykład trójskładnikowy układ THF-woda-CO2 był badany w temperaturze 25 i 40 °C i jest opisany w niniejszym dokumencie. Co ważne, technika ta nie wymaga pobierania próbek. Istotną zaletą tej techniki jest uniknięcie możliwych zakłóceń równowagi systemu podczas pobierania próbek, nieodłącznych błędów pomiarowych oraz trudności technicznych związanych z fizycznym pobieraniem próbek pod ciśnieniem. Być może równie ważne jest to, że szafirowa komórka umożliwia również bezpośrednią wizualną obserwację zachowania fazy. W rzeczywistości, wraz ze wzrostem ciśnienia CO2 jednorodna faza roztworu THF-woda rozdziela się przy około 2 MPa. Dzięki tej technice można było łatwo i wyraźnie zaobserwować punkt zmętnienia i określić skład nowo powstałych faz w funkcji ciśnienia.
Dane uzyskane techniką szafirowych komórek mogą być wykorzystane do wielu zastosowań. W naszym przypadku zmierzyliśmy pęcznienie i skład przestrajalnych rozpuszczalników, takich jak ciecze ekspandowane gazem, ciecze jonowe ekspandowane gazem i organiczne wodne układy przestrajalne (OATS)1-4. W przypadku najnowszego systemu, OATS, wysokociśnieniowe ogniwo szafirowe umożliwiło badanie (1) zachowania faz w funkcji ciśnienia i temperatury, (2) składu każdej fazy (gaz-ciecz-ciecz) w funkcji ciśnienia i temperatury oraz (3) podziału katalizatora w dwóch fazach ciekłych w funkcji ciśnienia i składu. Wreszcie, szafirowe ogniwo jest szczególnie skutecznym narzędziem do zbierania dokładnych i powtarzalnych pomiarów w odpowiednim czasie.

Schemat szafirowej celi wysokociśnieniowej przedstawiono na Rysunku 2, wraz z fotografią celi. Próbka znajduje się w górnej części celi, natomiast w dolnej części znajduje się woda z niebieskim barwnikiem w celach demonstracyjnych. Komponenty ciekłe są podawane za pomocą strzykawki i zaworu, natomiast CO2 (komponent gazowy) jest pompowany za pomocą wysokociśnieniowej pompy strzykawkowej. Ciśnienie można kontrolować za pomocą tłoka (w naszej konfiguracji woda jest również podawana za pomocą wys...

Wysokociśnieniowy aparat szafirowy jest unikalnym narzędziem do badania, bez pobierania próbek, zachowania fazowego w szerokim zakresie ciśnień. Za pomocą cetetometru można rejestrować bardzo precyzyjne pomiary objętości w celu pomiaru rozszerzalności cieczy i składu fazowego. W związku z tym ta metoda syntezy umożliwia badanie (1) równowag fazowych mieszanin wieloskładnikowych oraz (2) zachowania się podziału katalizatora lub związków modelowych w funkcji ciśnienia.

Wysokociśnieniowa cela szafirowa do pomiarów równowagi fazowej w systemach CO2 / organicznych / wodnych

The high pressure sapphire cell apparatus was constructed to visually determine the composition of multiphase systems without physical sampling. ...

Ogólnym celem niniejszej procedury jest ocena zachowania fazowego mieszaniny woda-acetonitryl w proporcji 50:50 w funkcji ciśnienia CO2. Jest to realizowane poprzez najpierw wstrzyknięcie próbki wody i acetonitrylu do komory szafirowej. Drugim krokiem jest nadanie ciśnienia za pomocą dwutlenku węgla.Następnie mierzy się objętość każdej z faz w funkcji ciśnienia CO2. Ostatnim krokiem jest obniżenie ciśnienia. W końcowym rozrachunku do pomiaru objętości wykorzystuje się cter w porównaniu z metodami próbkowania.Ten wizualny system z ogniwem szafirowym pozwala na określenie składu każdej fazy pod ciśnieniem bez zakłócania układu, a tym samym bez naruszania stanu równowagi. Dodatkowo aparat ten umożliwia wizualną obserwację zachowania układu. Ogniwo szafirowe jest urządzeniem wysokociśnieniowym, które wymaga bezpiecznej obsługi.W celu okresowego badania szczelności pod ciśnieniem, należy napełnić stronę roboczą wodą. Aby rozpocząć cykl ciśnieniowy, podłącz napełnioną wodą wysokociśnieniową pompę strzykawkową do przyłącza wlotowego próbki, całkowicie napełnij ogniwo i zamknij zawór wlotowy próbki. Następnie uruchom pompę strzykawkową tak, aby z przewodów wysokociśnieniowych wypłynęło kilka kropel wody.Następnie przymocuj rurkę do złączki celi szafirowej znajdującej się na spodzie celi szafirowej. Napełnij dolną celę wodą w celu nadciśnienia i monitoruj ciśnienie, aby sprawdzić, czy nie występuje jego spadek. Stopniowo zwiększaj ciśnienie do wartości o 0,1 megapascals powyżej nastawy zaworu bezpieczeństwa, zbierając wodę wypływającą z zaworu bezpieczeństwa do małego pojemnika.Teraz obniż ciśnienie do poziomu atmosferycznego. Napełnij pompę strzykawkową wysokiego ciśnienia wodą, zgodnie z wymogami ciśnienia eksperymentalnego. Uruchom pompę strzykawkową wysokiego ciśnienia, aby podać kilka kropel wody.Pozostaw rurkę. Następnie podłącz rurkę do złączki ogniwa szafirowego i otwórz zawór wlotowy gazu. Napełniaj ogniwo wodą, aż poziom tłoka osiągnie wysokość cieczy, którą można zmierzyć za pomocą cter.Zamknij zawór wlotowy gazu, aby wytworzyć ciśnienie w układzie. Następnie podłącz szczelną strzykawkę do otwartego przyłącza wlotowego próbki i opróżnij komorę, odciągając 10 ml. Zważ strzykawkę przed dodaniem próbki.Następnie należy wstrzyknąć odpowiednią objętość próbki za pomocą szczelnej strzykawki podłączonej do wlotu próbki. Jeśli jest to konieczne, zamknąć zawór i odwrócić celę szafirową na obrotowym wale. Teraz należy zmierzyć ilość próbki poprzez odczytanie masy strzykawki, dopuszczając niewielki błąd wynikający z obecności próbki pozostałej w przewodach i złączkach.Następnie ustaw kąpiel powietrzną na pożądaną temperaturę, aby zrównoważyć temperaturę próbki. Następnie wykonaj pierwszy pomiar wysokości za pomocą ctera, aby upewnić się, że osiągnięto równowagę próbki. Powtarzaj pomiary, aż przez co najmniej trzy kolejne razy nie zostanie zaobserwowana żadna zmiana.Przeprowadź badanie wstępne, podczas którego system jest obserwowany przez dłuższy okres czasu. Aby upewnić się, że osiągnięto stan równowagi, przepłucz linię dwutlenkiem węgla. Wprowadź dwutlenek węgla, uruchamiając najpierw pompę strzykawkową wysokiego ciśnienia w celu usunięcia powietrza z linii, gdy nie jest ona podłączona do zaworu wlotowego.Teraz podłącz rurkę do zaworu wlotowego gazu. Otwórz zawór wlotowy gazu do komory szafirowej. Zmierz ilość dodanego do układu CO2, odczytując objętość pompy strzykawkowej wysokiego ciśnienia przed i po dodaniu CO2.Upewnij się, że prędkość przepływu w wysokociśnieniowej pompie strzykawkowej do wody wynosi zero po osiągnięciu stanu równowagi. Aby upewnić się, że nie ma wycieków, doprowadź ciśnienie do pożądanej wartości, regulując ciecz podwyższającą ciśnienie. Następnie, przy użyciu wysokociśnieniowej pompy strzykawkowej, mieszaj zawartość komórki szafirowej, aby zapewnić szybkie osiągnięcie stanu równowagi.Po osiągnięciu stanu równowagi pod ciśnieniem CO2 widoczny jest wyraźny rozdział faz, co pozwala na zmierzenie wysokości każdej z nich. Po obniżeniu ciśnienia próbka powraca do jednej fazy; pomiary zarejestrowane za pomocą techniki komory szafirowej zostały przeanalizowane przy użyciu bilansów materiałowych w celu sporządzenia diagramów fazowych turny. Diagram turny ten uzyskano za pomocą dwóch odrębnych technik: metody syntetycznej z zastosowaniem protokołu komory szafirowej oraz metody analitycznej, w której próbki każdej z faz analizowano oddzielnie.Wyraźnie widać, że dane uzyskane obiema metodami są porównywalne. Wykres fazowy Ternarya może być następnie wykorzystany do eksperymentalnego obliczenia zachowania fazowego. Możliwość bezpośredniej wizualizacji zachowania fazowego jest tutaj szczególnie widoczna przy porównywaniu układu rozpuszczalników w obecności i przy braku dwutlenku węgla.Należy pamiętać, że praca z urządzeniami wysokociśnieniowymi może być bardzo niebezpieczna, dlatego zawsze należy stosować odpowiednie środki ostrożności, takie jak umieszczenie osłony przeciwwybuchowej pomiędzy aparaturą a użytkownikami.

high-pressure-sapphire-cell-for-phase-equilibria-measurements

Research

JoVE Journal

Chemistry

Chemia

Komórka szafirowa o wysokiej ciśnieniu do pomiarów równowagi fazowej systemów CO2/Organiczne/Woda

Laserowo podgrzewane diamentowe kowadełko w połączeniu z technikami mikrodyfrakcji synchrotronowej pozwala badaczom badać naturę i właściwości nowych faz materii w ekstremalnych warunkach ciśnienia i temperatury (PT). Próbki heterogeniczne można scharakteryzować in situ pod wysokim ciśnieniem za pomocą mapowania 2D i połączonych metod dyfrakcji proszkowej, monokrystalicznej i wieloziarnistej.

Synteza i mikrodyfrakcja w ekstremalnych ciśnieniach i temperaturach

Magnetyczny rezonans jądrowy jest jednym z najważniejszych narzędzi spektroskopowych. W tym artykule przedstawiono opracowanie nowego podejścia pod wysokim ciśnieniem, obecnie do 10,1 GPa. Otwiera to nowe okno na fizykę i chemię materii skondensowanej, w której badania nad wysokimi ciśnieniami mają ogromne znaczenie.

Magnetyczny rezonans jądrowy o wysokiej czułości przy ciśnieniu giga-paskalowym: nowe narzędzie do badania właściwości elektronicznych i chemicznych materii skondensowanej w ekstremalnych warunkach

Tutaj prezentujemy protokół do badania miękkiej materii i systemów biofizycznych w szerokiej mezoskopowej skali długości, od nm do μm, która obejmuje użycie dyfraktometru KWS-2 SANS o wysokiej intensywności i regulowanej rozdzielczości.

Badanie miękkiej materii i układów biologicznych w szerokiej skali długości od rozmiarów nanometrów i mikrometrów na małokątowym dyfraktometrze neutronowym KWS-2

W tym raporcie opisujemy szczegółowe procedury przeprowadzania eksperymentów dyfrakcji rentgenowskiej monokryształów z komórką kowadełka diamentowego na linii badawczej GSECARS 13-BM-C w Zaawansowanym Źródle Fotonów. Do analizy danych wykorzystywane są programy ATREX i RSV.

Dyfrakcja monokryształów pod wysokim ciśnieniem w PX^2

Ten artykuł opisuje przepływowy reaktor mikrofalowy, który jest używany do napędzania efektywnej chemii nierównowagi w celu zastosowania konwersji/aktywacji stabilnych cząsteczek, takich jak CO2, N2 i CH4. Celem opisanej tutaj procedury jest pomiar temperatury i konwersji gazu in situ.

Nierównowagowa plazma mikrofalowa do wydajnej chemii wysokotemperaturowej

Ten artykuł opisuje konfigurację i metodę wizualizacji in situ próbek oleju w różnych warunkach temperatury i ciśnienia, które mają na celu emulację procesów rafinacji i ulepszania. Jest używany przede wszystkim do badania mediów izotropowych i anizotropowych biorących udział w zanieczyszczaniu pasz ropopochodnych.

In Situ Wizualizacja zachowania fazowego próbek ropy naftowej w warunkach procesu rafineryjnego

Opisano użycie spektroskopii FTIR do badania właściwości powierzchni polikrystalicznych ciał stałych. Omówiono przygotowanie osadów próbek, procedury aktywacji, charakterystykę za pomocą cząsteczek sondy oraz modelowe badania adsorpcji CO2 .

In situ Spektroskopia FTIR jako narzędzie do badania oddziaływań gaz/ciało stałe: adsorpcja CO2 wzmocniona wodą w strukturze metaloorganicznej UiO-66

Ta praca skupia się na standardowym protokole przygotowania zewnętrznie ogrzewanej diamentowej komórki kowadełkowej (EHDAC) do generowania warunków wysokiego ciśnienia i wysokiej temperatury (HPHT). EHDAC jest wykorzystywany do badania materiałów we wnętrzach Ziemi i planet w ekstremalnych warunkach, które mogą być również wykorzystywane w fizyce ciała stałego i badaniach chemicznych.

Zewnętrznie ogrzewane kowadełko diamentowe do syntezy i oznaczania elastyczności monokryształów lodu-VII w warunkach wysokiego ciśnienia i temperatury

Opisujemy metodę tworzenia hydratu gazu na kropelkach wody siedzącej, aby zbadać wpływ różnych inhibitorów, promotorów i substratów na morfologię kryształu hydratu.

Krystalizacja hydratu metanu na siedzących kropelkach wody

Spektroskopia Ramana w komórkach płynnych (FCRS) umożliwia operandowe obserwacje zjawisk reakcji i transportu podczas wodnej korozji szkieł krzemianowych na poziomie mikroskopowym, w podwyższonych temperaturach i w czasie rzeczywistym. Nie przerywając zachodzących procesów, FCRS dostarcza informacji o mechanizmach reakcji, kinetyce i procesach transportu.

Spektroskopia Ramana w komórkach płynnych do badań operando zjawisk reakcji i transportu podczas korozji szkła krzemianowego

Poznaj metodę pomiaru równowagi fazowej mieszaniny woda-acetonitryl pod ciśnieniem CO₂ przy użyciu wysokociśnieniowej celi szafirowej. Technika ta umożliwia precyzyjne badanie zachowania układów wieloskładnikowych bez pobierania próbek.

Wysokociśnieniowa cela szafirowa do pomiarów równowagi fazowej w systemach CO₂ / organicznych / wodnych

Przeglądaj więcej filmów