Термодинамические свойства перфтороктана на кривой сосуществования системы «жидкость – газ»: методика расчёта и табулированные данные

Рассмотрен перфтороктан C₈F₁₈ – технически важное вещество, используемое в разных сферах промышленности и медицины. Отмечено, что существующие термодинамические таблицы стандартных справочных данных для перфтороктана не согласуются с современными данными о плотности этого вещества на линии фазового равновесия. Разработана методика построения линии фазового равновесия перфтороктана в диапазоне от тройной точки до критической точки. Предложена модель линии фазового равновесия перфтороктана, которая включает следующие уравнения: линии упругости; паровой и жидкостной ветвей кривой сосуществования системы «жидкость – газ»; «кажущейся» теплоты парообразования. Вблизи критической точки уравнение линии упругости удовлетворяет требованиям масштабной теории критических явлений, а в окрестности тройной точки – модели Вегнера. Модель кривой сосуществования в окрестности критической точки удовлетворяет модели Янга-Янга и ренормгрупповой теории для асимметричных систем, а в области разреженного газа – линейной модели среднего диаметра. В диапазоне температур 246,15–496,99 К рассчитаны табулированные данные, включающие равновесные свойства перфтороктана на линии фазового равновесия – давление и плотность насыщенного пара, плотность насыщенной жидкости, теплоту парообразования, первую и вторую производные давления насыщенного пара по температуре. С учётом описанных в литературе экспериментальных данных, а также данных о критических давлениях перфтор-n-алканов как функции их молекулярной массы выбраны критические значения давления 1,548 МПа, плотности 596,4 кг/м³, температуры 496,99 К. Рассчитаны статистические характеристики, включая абсолютное среднее и среднее квадратическое отклонения, определяющих точность предложенной модели линии фазового равновесия при описании полученных в общепризнанных международных теплофизических лабораториях экспериментальных данных. Результаты настоящего исследования полезны специалистам высокотехнологических компаний, занимающимся разработкой инновационных технологий в сферах радиоэлектронной и электротехнической промышленности, медицины, а также производителям магнитожидкостных герметизаторов (с целью изоляции опасных веществ от окружающей среды и создания уплотнителей для устройств, эксплуатируемых в условиях вакуума или контакта с агрессивными веществами) и магнитожидкостных сепараторов (для разделения цветных металлов по плотности). Результаты выполненного исследования можно использовать при разработке фундаментального уравнения состояния перфтороктана.  

1. Wu A.-L., Chuang L.-H., Chen K.-J. et al. Perfluoro-n-octane-assisted autologous internal limiting membrane plug for refractory macular hole surgery. International Ophthalmology, 39, 2767–2773 (2019). https://doi.org/10.1007/s10792-019-01123-7

2. Dias A. M. A., Caco A. I., Coutinho J. A. P. et al. Thermodynamic properties of perfluoro-n-octane. Fluid Phase Equilibria, 225, 39–47 (2004). https://doi.org/10.1016/j.fluid.2004.07.004

3. Kreglewski A., Zwolinski B. J. A new relation for physical properties of n-alkanes and n-alkyl compounds. Journal of Physical Chemistry, 65(6), 1050–1052 (1961). https://doi.org/10.1021/j100824a505

4. Nelson W. M., Tebbal Z., Naidoo P., Negadi L., Ramjugernath D. High-pressure phase equilibria data for mixtures involving ethene and perfluoro-n-octane from 293 to 353. Fluid Phase Equilibria, 408, 33–37 (2016). https://doi.org/10.1016/j.fluid.2015.07.054

5. Максимов Б. Н., Барабанов В. Г., Серушкин И. Л. и др. Промышленные фторорганические продукты: Справочное издание. Химия, Ленинград (1990).

6. Хайрулин Р. А., Станкус С. В. Плотность перфтороктана на линии равновесия жидкость – пар. Журнал физической химии, 95(4), 529–533 (2021). https://doi.org/10.31857/S0044453721040117

7. Мустафаев М. Р., Назиев Я. М., Каграманов М. К. Плотность некоторых перфторуглеродов в широкой области параметров состояния. Теплофизика высоких температур, 33, 359–366 (1995).

8. Синицын Е. Н., Михалевич Л. А., Янковская О. П. и др. Теплофизические свойства фторорганических соединений. Экспериментальные данные и методы расчёта: Справочник. Наука, Екатеринбург (1995).

9. Dias A. M. A., Pàmies J. C., Coutinho J. A. P. et al. SAFT Modeling of the Solubility of Gases in Perfluoroalkanes. Journal of Physical Chemistry B, 108(4), 1450–1457 (2004). https://doi.org/10.1021/jp036225o

10. NIST Chemistry WebBook, SRD 69. NIST Standard Reference Database Number 69. https://doi.org/10.18434/T4D303

11. Vandana V., Rosenthal D., Teja A. The critical properties of perfluoro n-alkanes. Fluid Phase Equilibria, 99, 209–218 (1994). https://doi.org/10.1016/0378-3812(94)80032-4

12. Bengesai P. N., Nelson W. M., Naidoo P., Ramjugernath D. Phase equilibria for perfluoroethane + (n-perfluorohexane or n-perfluorooctane) binary systems: measurement and modeling. Journal of Chemical & Engineering Data, 61, 3363–3370 (2016). https://doi.org/10.1021/acs.jced.6b00409

13. Bengesai P. High Pressure vapour-liquid equilibrium measurements for r116 and ethane with perfluorohexane and perfluorooctane. Candidate’s dissertation Science in Engineering (Chemical Engineering), College of Agriculture, Engineering and Science, University of KwaZulu-Natal, Durban (2016).

14. Hassanalizadeh R., Nelson W. M., Naidoo P. et al. VLE measurements and modelling for the binary systems of (CF4 + C6F14) and (CF4 + C8F18). Fluid Phase Equilibria, 485, 146–152 (2019). https://doi.org/10.1016/j.fluid.2018.12.005

15. Morgado P., Colaço B., Santos V., Jackson G., Filipe E. J. M. Modelling the thermodynamic properties and fluid-phase equilibria of n-perfluoroalkanes and their binary mixtures with the SAFT-γ Mie group contribution equation of state. Molecular Physics, 118, e1722270 (2020). https://doi.org/10.1080/00268976.2020.1722270

16. Dias A. M. A., Llovell F., Coutinho J. A. P. et al. Thermodynamic characterization of pure perfluoroalkanes, including interfacial and second order derivative properties, using the crossover soft-SAFT EoS. Fluid Phase Equilibria, 286, 134–143 (2009). https://doi.org/10.1016/j.fluid.2009.08.018

17. Поволоцкий И. И. Теплоотдача к неидеальным растворам в процессах импульсного тепловыделения: дис. канд. техн. наук. Институт теплофизики Уральского отделения Российской академии наук, Екатеринбург (2022).

18. Bushueva K. A., Kostarev K. G. Behavior of a ferrofluid layer with stable surface rupture subjected to a tangential magnetic field. Fluid Dynamics, 46, 707–714 (2011). https://doi.org/10.1134/S0015462811050048

19. Бушуева К. А. Деформация горизонтального слоя феррожидкости на жидкой подложке в магнитном поле: дис. канд. физ.-мат. наук. Институт механики сплошных сред Уральского отделения Российской академии наук, Пермь (2014).

20. Хайрулин Р. А., Станкус С. В. Фазовые равновесия и термические свойства органических и фторорганических систем вблизи критических точек кривых сосуществования «жидкость – пар» и «жидкость – жидкость». Вестник СибГУТИ, (3), 117–122 (2009). https://elibrary.ru/item.asp?id=14313583

21. Шишаков В. В. Комбинированные скейлинговые модели для инженерных расчетов термодинамических свойств на линии насыщения: дис. канд. техн. наук. Московский энергетический институт, Москва (2014).

22. Рыков С. В., Кудрявцева И. В., Рыков В. А. и др. Линия фазового равновесия этана. Вестник Международной академии холода, (2), 98–104 (2021). https://doi.org/10.17586/1606-4313-2021-20-2-98-104

23. Устюжанин Е. Е., Шишаков В. В., Абдулагатов И. М. и др. Скейлинговые модели для описания термодинамических свойств на линии насыщения: проблемы и некоторые решения. Сверхкритические флюиды: теория и практика. 7(3), 30–55 (2012).

24. Воробьев В. С., Устюжанин Е. Е., Очков В. Ф. и др. Исследование границы фазового перехода для C6F6 и SF6 в условиях микрогравитации. Теплофизика высоких температур, 58, 355–364 (2020). https://doi.org/10.31857/S0040364420030199

25. Rykov S. V., Kudriavtseva I. V., Sverdlov A. V., Rykov V. A. Calculation method of R1234yf phase equilibrium curve within temperature range from 122.6 K to 367.85 K. AIP Conference Proceedings, 2285, 030070 (2020). https://doi.org/10.1063/5.0029671

26. Rykov S. V., Kudryavtseva I. V., Rykov V. A. et al. Analysis of the saturation line on the basis of Clapeyron-Clausius and Gibbs-Duhem equations. Journal of Physics: Conference Series, 1147, 012017 (2019). https://doi.org/10.1088/1742-6596/1147/1/012017

27. Рыков С. В., Кудрявцева И. В., Рыков В. А. и др. Линия фазового равновесия воды «газ – жидкость» в рамках теории ренормализационной группы. Теплоэнергетика, (3), 72–84 (2024). https://doi.org/10.56304/S004036362403007X

28. Рыков С. В., Кудрявцева И. В., Рыков С. А. Линия насыщения этана в рамках теории ренормгруппы с использованием уравнения Клапейрона-Клаузиуса. Журнал физической химии, 97(11), 1561–1572 (2023). https://doi.org/10.31857/S0044453723110286

29. Устюжанин Е. Е., Очков В. Ф., Рыков В. А. и др. Некоторые термодинамические свойства SF6 на бинодали в окрестности критической точки. Теплофизика и аэромеханика, 30, 591–608 (2023). https://elibrary.ru/EBOMIQ

30. Кудрявцева И. В., Рыков С. В., Рыков В. А., Устюжанин Е. Е. Анализ линии фазового равновесия SF6 на основе масштабной теории и уравнения Клапейрона-Клаузиуса. Теплофизика высоких температур, 61, 514–524 (2023). https://doi.org/10.31857/S0040364423030158

31. Соловьев Г. В., Суханин Г. И., Столяров Н. Н., Чашкин Ю. Р. Экспериментальное определение теплоты парообразования и теплоемкости на линии насыщения фреона-23. Холодильная техника, 6, 30–33 (1978).

32. Рыков В. А. Единое неаналитическое уравнение состояния газа и жидкости и таблицы термодинамических свойств аргона и хладагентов R23, R218, R134а: дис. доктора техн. наук. Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий, Санкт-Петербург (2000).

33. Анисимов М. А. Критические явления в жидкостях и жидких кристаллах. Наука, Москва (1987).

34. Wang L., Zhao W., Wu L., Li L., Cai J. Improved renormalization group theory for critical asymmetry of fluids, Journal of Chemical Physics, 139(12), 124103 (2013). https://doi.org/10.1063/1.4821599

35. Zhou Z., Cai J., Hu Y. A self-consistent renormalisation group theory for critical asymmetry of one-component fluids. Molecular Physics, 120, e1987541 (2022). https://doi.org/10.1080/00268976.2021.1987541

36. Ermakov G. V., Skripov V. P. Saturation line, critical parameters, and attainable superheating of the perfluoroparaffins. Russian Journal of Physical Chemistry, 41, 39–42 (1967).

37. Ермаков Г. В., Скрипов В. П. Теплофизика. Вып. 1. Труды отд. физ.-техн. проблем Уральского научного центра АН СССР. Свердловск (1971).

38. Форсайт Дж., Малькольм Н., Моулер К. Машинные методы математических вычислений. Перевод с англ. Мир, Москва (1980).

39. Losada-Perez P., Tripathi C. S. P., Leys J. et al. The Yang-Yang anomaly in liquid – liquid criticality: Experimental evidence from adiabatic scanning calorimetry. Chemical Physics Letters, 523, 69–73 (2012). https://doi.org/10.1016/j.cplett.2011.12.022

40. Колобаев В. А., Рыков С. В., Кудрявцева И. В. и др. Методика построения уравнения состояния и термодинамических таблиц для хладагента нового поколения. Измерительная техника, (2), 9–15 (2021). https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2021-2-9-15

41. Stephenson R. M., Malanowski S. Properties of organic compounds, Handbook of the thermodynamics of organic compounds. Springer (1987). https://doi.org/10.1007/978-94-009-3173-2_1

42. Varushchenko R. M., Bulgakova L. L., Minzabekyants P. S., Makarov K. N. Saturated vapor-pressure and the enthalpies of evaporation of some carbon perfluorides. Russian Journal of Physical Chemistry A, 55, 1480 (1981).

43. Рыков С. В., Попов П. В., Кудрявцева И. В., Рыков В. А. Термодинамические свойства хладагента транс-1,3,3,3-тетрафторпропена: методика построения уравнения состояния и табулированные данные. Измерительная техника, (10), 32–40 (2023). https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2023-10-32-40

44. Колобаев В. А., Рыков С. В., Кудрявцева И. В. и др. Термодинамические свойства хладагента R1233zd(E): методика построения фундаментального уравнения состояния и табулированные данные. Измерительная техника, (5), 22–28 (2022). https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2022-5-22-28

45. Rykov S. V., Kudryavtseva I. V. Describing the phase equilibrium line of perfluorooctane, based on the Clapeyron-Clausius equation in the range of temperatures from the triple point to the critical point. Russian Journal of Physical Chemistry A (2024). https://doi.org/10.1134/S0036024424030245