碳酸二乙酯黏度和密度的实验测量及数据关联

　Journal　of　Chemical　Industry　and　Engineering　(China)　　　November　2008

化工数据

　　碳酸二乙酯黏度和密度的实验测量及数据关联

孟现阳,郑平军,吴江涛

(西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室,陕西西安710049)

摘要:采用振动弦黏度/密度计对碳酸二乙酯的黏度与密度进行了实验研究,测量的温度范围为263～363K,压

力范围为011～20MPa。实验系统黏度和密度测量的不确定度分别为±210%和±012%。利用得到的实验数据,分别拟合了碳酸二乙酯黏度和密度方程。黏度实验数据与方程的平均绝对偏差为01%,最大绝对偏差为1198%;密度实验数据与方程的平均绝对偏差为01042%,最大绝对偏差为0112%。最后将实验数据与文献数据进行了比较。为碳酸二乙酯作为替代燃料等研究提供了基础数据。关键词:密度;碳酸二乙酯;振动弦;黏度中图分类号:TK123;O621124　　　　文献标识码:A文章编号:0438-1157(2008)11-2695-06

Measurementsofviscosityanddensityofdiethylcarbonate

MENGXianyang,ZHENGPingjun,WUJiangtao(StateKeyLaboratoryofMultiphaseFlowinPowerEngineering,Xi’anJiaotong

University,Xi’an710049,Shaanxi,China)Abstract:Measurementsoftheviscosityanddensityofdiethylcarbonatearereportedattemperaturesfrom263Kto363Kandatpressuresupto20MPa1Themeasurementswereperformedsimultaneouslybyusingavibrating2wireinstrumentoperatingintheforcedmodeofoscillation1Theoveralluncertaintiesoftheseresultswere±210%inviscosityand±012%indensity1ThemeasurementswerecorrelatedwiththeTait2typeequationfordensityandtheHard2sphereschemeforviscosity1Theaverageabsolutedeviationandthemaximumabsolutedeviationoftheviscositymeasurementsfromthecorrelationfordiethylcarbonatewere01%and1198%,respectively1Withregardtodensity,theaverageabsolutedeviationandthemaximumabsolutedeviationofthepresentresultsfromthecorrelationwere01042%and0112%,respectively1Comparisonsoftheexperimentaldataandmeasurementsfromliteratureswiththevaluescalculatedbythecorrelationsatdifferenttemperaturesandpressureswerepresented.Keywords:density;diethylcarbonate;vibratingwire;viscosity

引　言

碳酸二乙酯的分子结构中含有乙基、乙氧基、羰基和羰乙氧基,化学性质非常活泼,是重要的有机合成中间体,具有很高的工业应用价值。碳酸二

乙酯可用作溶剂、表面活性剂和锂电池液添加剂等,电子级纯碳酸二乙酯还可用于彩电显像管的清洁剂。另外,碳酸二乙酯可以作为汽油和柴油机燃料的含氧添加剂(含氧量高达4016%),改善燃烧性能,提高燃烧热效率,减少污染物的排放。准确

　　2008-03-21收到初稿,2008-08-05收到修改稿。

),男,博士研联系人:吴江涛。第一作者:孟现阳(1978—

　　Receiveddate:2008-03-21.

Correspondingauthor:Prof.WUJiangtao.E-mail:jtwu@mail1xjtu1edu1cn

究生。

基金项目:全国优秀博士论文作者专项资金项目(2000);教育部新世纪优秀人才支持计划项目(NCET20520836)。

・2696・化　　　工　　　学　　　报　　第59卷　

的热物理性质数据对于碳酸二乙酯的应用研究非常重要。据文献调查发现,大部分文献都只是测量了

常压下的数据,测量的温度、压力范围有限。鉴于碳酸二乙酯在工业中的应用,本课题组开展了碳酸二甲酯[123]、碳酸二乙酯[4]的热物理性质的实验研究,本文的主要工作是采用振动弦黏度/密度计对碳酸二乙酯的黏度和密度进行实验研究,温度范围为263～363K,压力范围为011～20MPa。

112　实验装置及测量系统

振动弦黏度/密度计实验系统主要包括实验本体、数据采集系统、恒温槽、平流泵等。本文所用的实验测量装置如图1所示。实验本体主要由振动弦、重物、磁场、高压容器等组成。液体的密度主要与共振频率有关,而黏度主要与半峰宽有关,因此振动弦和重物的材质、尺寸,上下夹具的设计以及磁场强度的大小等因素会直接影响共振频率和半峰宽。本文所采用的是半径为01025mm的钨丝,长度为60mm。重物选择铝材料,质量为60197g。磁场是由西安思强科技有限公司提供的钐钴永久磁铁(Sm2Co17)产生,磁场强度为013T。高压容器由不锈钢(1Cr18Ni9Ti)制成,设计压力为40MPa。实验装置的标定和检验见文献[11],综合各种因素,实验装置测量密度和黏度的不确定度分别为±012%和±210%。1　实验方法

111　实验原理

近几年来,课题组对振动弦法测量流体的黏度

和密度进行了研究,并研制了相应的实验测量装置。振动弦法最早是Tough等[5]提出用来测量流体黏度的,其原理是一根圆形截面无限长金属丝在黏性流体中,作垂直于轴向的横向振动,根据流体对振动的阻尼作用可以得到流体的黏度。Retsina等[6]经过严格的理论推导,为实验装置的设计提供了理论依据,并且通过重物浮力修正,振动弦装置还可以同时测量流体的密度。振动弦的振动方式有两种:自由振动和受迫振动。本文采用的是受迫振动方式。振动弦法测量的基本原理在文献[6210]中已有详细描述,在此仅给出工作方程。

u=

ω

5yF(z)eit

=25t)+ωms[ω(β′+2Δi(1+βi]0)+ω0/ω

(1)

将式(1)改写成u=uei(ωt-<)形式,其中幅值和相

位的表达式如下

u=

ω(βms{′+2Δ0)

22

F21/2

)-ω2+[ω(1+β0/ω]}

(2)(3)

ω2(1+β)-ω20<=arctan2

ω(β′+2Δ0)

2

式(1)中,y是振动丝的横向位移;ms=ρsπr,是单位长度上丝的质量;F(z)表示丝单位长度上所受到的驱动力大小。右边分母表示振动元件的机械阻抗,包括阻尼项、惯性项、刚性项,阻尼项为(βρ′+2Δ′=(/ρ,表示由于流体0),其中,βs)k′存在而产生的黏性阻尼,Δ0表示振动丝的内部阻

),其中,β=(ρ尼系数;惯性项为(1+β/ρks)

图1　实验装置及信号采集系统

Fig11　Diagramofvibrating2wireapparatus

1—feedthrough;2—feedwires;3—tungstenwire;4—weight;5—upperclamp;6—magnets;7—pressurevessel

表示附着在丝上的流体的惯性;ω0是自然角频率。

k、k′表示流体运动对振动系统的影响,其中k表示惯性项的影响,k′表示流体黏性力的影响,黏度和密度隐含在k、k′中。只要测定了振动弦在流体中的共振曲线,通过以上方程就可以得到流体的密度和黏度。

数据采集系统由锁相放大器、信号发生器、采集软件等组成,如图1所示。振动弦在磁场中产生的感应电压为μV级,因此采用了SR830

　第11期　　孟现阳等:碳酸二乙酯黏度和密度的实验测量及数据关联・2697・

(StanfordResearchSystem)数字锁相放大器,其

量,具体结果见表1。实验所用碳酸二乙酯由河北新朝阳化工股份有限公司提供,标称纯度为

9917%(质量分数),试剂在使用前没有经过任何处理,直接由平流泵输送至实验本体。将实验数据与温度、压力进行了关联,密度采用了Tait型方程,黏度采用了Hard2sphere模型。为了描述和评价数据拟合的效果,引入以下指标:平均绝对偏差(AAD)、最大绝对偏差(DM)和平均偏差(Bias),分别定义如下

deviation=

电压检测范围是2nV～1V,相位测量的准确度为0101°。正交电流由信号发生器Agilent33220A(AgilentTechnologies)产生,频率的分辨率为10μHz。锁相放大器、信号发生器等通过GPIB线与计算机相连,利用Labview编写的软件进行控制,实现频率的自动扫描和数据采集。

实验选用美国Fluke公司生产的7037型恒温槽,恒温介质为二甲基硅油,稳定性和均匀性小于±2mK,温度测量不确定度为±10mK。压力测量采用麦克传感器有限公司生产的MPM480型压力传感器,测量范围为0～40MPa,测量精度为±0125%FS。平流泵采用北京卫星制造厂2PB00C型柱塞平流泵,流量为011～5ml・min-1,用来输送待测液体并增压。

1-

ρexp×100ρcal

absolutedeviation=|deviation|AAD=

1Nb

Nbi=1

∑absolutedeviation(i)

Nbi=1DM=max[absolutedeviation(i)]

2　实验结果与分析

本文对温度范围263～363K、压力范围为011～20MPa的碳酸二乙酯黏度和密度进行了测1Bias=Nb

∑deviation(i)

其中,Nb是实验点数。

表1　碳酸二乙酯密度和黏度实验数据Table1　Measurementsofdensityandviscosityofdiethylcarbonate

T/K

p/MPaρ/kg・m-3

10091263

1011190310151183101717751020152799810751001174310051293100818571011192798614629198299411497180610011853975165397916183153881076992107193096815349721613977141811037952159571292962142496712519711531η/mPa・s

113071135711414114711152911090111301117811229112800192901963110041103911090018080183301868019100194301699017260175501788018200161701639016660169601721T/Kp/MPaρ/kg・m-3

9401336945196795214219571437961151092911534150394110479461560951148591715349241002930125393515239391226906117291215019191604924115992719275150290115019061661118139161608

η/mPa・s

01701571015940161701201491015120153301555015760144401462014800150101519014000142001435014014720136501376013960141501435

263115

273115

283115

293115

303115

313115

011041914614144191430110419114150191450110415391451414419144011041569157141471914301104156916014151191480110415591581414619143323115

333115

343115

353115

363115

011041569160141441914101104155915314145191420110415591521414319142011041559153141471914901104191501414819149

・2698・

211　数据拟合与关联

化　　　工　　　学　　　报　

表3　黏度方程拟合的参数

　第59卷　

为了便于工程实际应用,将碳酸二乙酯密度实验数据拟合成了Tait型关联式

ρ-ρB+p0=ClgρB+p0

2

3

Table3　Parametersforviscositycorrelation

ofEq1(5)—Eq1(7)

T/K

V0×106/m3・mol-1

(4)

263115273115283115293115303115313115323115333115343115353115363115

8315268219758214988211068114811238801850801482801107791702791290

ρ式中　0是参考压力p0下的密度,ρ0=A0+A1T+

A2T+A3T,本文选择的参考压力是011MPa;C

是拟合常数;B=B0+B1T+B2T。拟合得到的系

数以及偏差如表2所示。

表2　密度方程拟合的参数

Table2　ParametersfordensitycorrelationofEq1(4)

Parameter

A0A1A2A3CB0B1B2

2

Value510342184572-010126806113346×10-5

011036021106-31242214157205×10-3

010420112010012

212　与文献值比较

拟合方程与密度实验数据和文献数据的偏差如图2所示。据文献调查发现,常压下碳酸二乙酯密

度测量较多,但是实验测量的温度范围有限,碳酸二乙酯密度随压力变化的研究相对较少,只有Comunas等[14]实验测量了高压下的密度数据。文献[14]与本文实验数据最大偏差为0114%,最小偏差为010065%,吻合很好。本文实验数据与可查到的文献数据的标准偏差为01055%,最小偏差为01004%,最大偏差为013%,只有一个点超过了012%。因此本文实验数据是准确可靠的。

AAD/%DM/%Bias/%

利用Hard2sphere模型[12213]关联了碳酸二乙酯的黏度实验数据,该模型定义了一个量纲1黏度,η3

η3=61035×108×1MRT

1/2

ηV2/3

Rη

(5)

η3只是摩尔容积V和特征式中　Rη是形状因子。

摩尔容积V0比值的函数,具有统一的表达式,Assael等[12]给出了如下表达式

ηlg

3

7

=

i=0

∑

ai

V0V

i

(6)

式中　ai是系数;V0只是温度的函数,一般是随温度升高而下降。通过数据拟合得到每个温度下的V0值以及与温度压力无关的Rη值,并将V0值拟合成如下表达式

V0×106=a+bT+cT2

(7)

图2　本文及文献密度实验数据与关联方程的偏差

Fig12　Densitydeviationsofmeasurementsand

literaturesfromcorrelation

□this◇Ref1●Ref1

work;[17];[21];

○Ref1󰃜

[14];[22];

△Ref1󰃞λ

[15];

µ

Ref1[16];

[20];[24]

◆Ref1

Ref1[18];

▲Ref1

Ref1[19];Ref1[23];

☆Ref1

结果见表3。拟合得到的系数分别为:a=

1001299;b=-010803155;c=612211×10-5;Rη=11225。AAD、DM和Bias分别为01%、1198%和-010013%。

拟合方程与黏度实验数据和文献数据的偏差如图3所示。相对于密度数据,碳酸二乙酯的黏度数据报道较少,尤其是高压下实验数据。本文实验数

　第11期　　孟现阳等:碳酸二乙酯黏度和密度的实验测量及数据关联

y———振动弦位移

z———沿振动弦方向坐标轴

・2699・

据与可查到的文献数据的标准偏差为114%,最小偏差为0108%,最大偏差为317%,大部分偏差都在±2%以内,偏差较大的点基本上是高压下数据。

β———惯性项函数β′———阻尼项函数Δ——内部阻尼系数0—

η———黏度,Pa・s

ρ———流体的密度,kg・m-3ρ——振动弦的密度,kg・m-3s—<———相位

ω———角频率,rad・s-1ω——自然角频率,rad・s-10—下角标

s———振动丝

0———自然频率,参考点

图3　本文及文献黏度实验数据与关联方程的偏差

Fig13　Viscositydeviationsofmeasurementsand

literaturesfromcorrelation

□this

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[15];[24]

µ

Ref1[18];

55125563　结　论

利用振动弦黏度/密度计实验系统对温度范围为263～363K、压力范围为011～20MPa内的碳酸二乙酯的黏度和密度进行了实验测量,拓宽了现有碳酸二乙酯黏度和密度的温度、压力测量范围。利用实验数据拟合了黏度和密度方程,黏度实验数据与方程的平均绝对偏差为01%,最大绝对偏差为1198%;密度实验数据与方程的平均绝对偏差为01042%,最大绝对偏差为0112%。通过比较,本文实验数据与已有的文献数据基本吻合,为碳酸二乙酯作为替代燃料等应用研究提供了基础数据。

符　号　说　明

　F———受迫振动中的驱动力,N

k———惯性项函数k′———阻尼项函数

M———摩尔质量,kg・mol-1

ms———单位长度振动弦质量,kg・m-1p———压力,Par———振动弦半径,mT———温度,Kt———时间,s

u,u———振动弦的运动速度,m・sV———摩尔容积,m3・mol-1

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