چگالی و ویسکوزیته متانول در دماهای مختلف

مقدمه

متانول یک الکل ساده با فرمول شیمیایی CH3OH است که به طور گسترده به عنوان حلال، سوخت و ماده ی اولیه در صنایع شیمیایی استفاده می شود. این ماده مایعی بی رنگ و نسبتاً فرار با بوی ملایم و تا حدی تند الکلی است. متانول ماده ای سمی برای انسان می باشد (حتی مقادیر کم آن می تواند کوری ایجاد کند) و با شعله ای تقریباً نامرئی می سوزد. به عنوان یک الکل سبک، متانول به طور کامل با آب مخلوط می شود و حتی در شرایط بسیار سرد نیز مایع باقی می ماند (نقطه ی انجماد آن حدود ۹۷٫۶- درجه ی سانتی گراد است). در این مقاله بررسی می کنیم که چگونه چگالی و گرانروی متانول، دو خاصیت مهم فیزیکی، در دماهای مختلف تغییر می کنند. درک این خواص برای کاربردهای صنعتی، ایمنی و محاسبات مهندسی اهمیت زیادی دارد و به ویژه برای واحدهایی که در زمینه تأمین این ماده فعالیت می کنند از جمله مراجعی که به دنبال خرید حواله متانول کاوه هستند ، شناخت دقیق رفتار فیزیکی این محصول ضروری است. ما ابتدا مفهوم چگالی و گرانروی در مورد متانول و اهمیت آن ها را توضیح می دهیم و سپس داده هایی درباره ی تأثیر دما بر این خواص ارائه می کنیم. در پایان، رفتار متانول را از سرمای زیر صفر تا نزدیکی نقطه ی جوش آن خواهید دید که با یک جدول مفصل از مقادیر چگالی و گرانروی در دماهای گوناگون نیز تکمیل می شود.

متانول چیست؟

متانول که با نام های متیل الکل و الکل چوب نیز شناخته می شود، ساده ترین الکل است که از یک اتم کربن متصل به سه اتم هیدروژن و یک گروه هیدروکسیل (CH3OH) تشکیل شده است. متانول در شرایط معمول محیط یک مایع سبک و آتش گیر است و از نظر ویژگی های فیزیکی تا حدودی شبیه اتانول می باشد، هرچند متانول بسیار سمی تر است. متانول خالص بی رنگ است و بوی ملایم الکلی دارد. در گذشته این ماده به دلیل تولید از چوب با نام الکل چوب شناخته می شد، زیرا در فرآیند تقطیر مخرب چوب به دست می آمد. امروزه متانول عمدتاً به صورت صنعتی و از گاز طبیعی با استفاده از گاز سنتز (ترکیبی از مونوکسید کربن و هیدروژن) تولید می شود. این ماده به عنوان یک ماده ی شیمیایی همه کاره و سوخت عمل می کند. هر ساله میلیون ها تن متانول برای تولید فرمالدهید، اسید استیک، پلاستیک ها، رزین ها و بسیاری مواد شیمیایی دیگر تولید می شود. همچنین متانول به بنزین افزوده شده و در سوخت مسابقات اتومبیل رانی به کار می رود، چون عدد اکتان بالا و احتراق نسبتاً تمیزی دارد. یک کاربرد رایج دیگر آن به عنوان جزء ضد یخ در مایع شیشه شوی خودرو است، زیرا در دماهای بسیار پایین نیز مایع می ماند.

ویژگی های فیزیکی متانول

مانند سایر الکل ها، رفتار متانول توسط ویژگی های فیزیکی آن مانند چگالی، گرانروی، نقطه ی جوش، نقطه ی انجماد و فشار بخار تعیین می شود. نقطه ی جوش نرمال متانول حدود ۶۴٫۷ درجه ی سانتی گراد (معادل ۱۴۸٫۵ درجه ی فارنهایت) است، به این معنی که در دماهای نسبتاً پایین به جوش می آید و بخار می شود. نقطه ی انجماد آن بسیار پایین و حدود ۹۷٫۶- درجه ی سانتی گراد است، بنابراین در سرمای شدید نیز مایع باقی می ماند. چگالی و گرانروی متانول به شکل قابل توجهی کمتر از آب است. در دمای اتاق، چگالی متانول حدود ۰٫۷۹ برابر چگالی آب می باشد، یعنی حجم یکسانی از متانول جرم کمتری نسبت به همان حجم آب دارد. گرانروی متانول نیز بسیار کمتر از گرانروی آب است و آن را به مایعی بسیار رقیق و روان تبدیل می کند. این خصوصیات به اندازه ی کوچک مولکول متانول و پیوندهای هیدروژنی کمتر و ضعیف تر آن نسبت به آب مربوط می شود. چگالی به صورت جرم در واحد حجم تعریف می شود، در حالی که گرانروی معیاری برای مقاومت داخلی مایع در برابر جریان یافتن است. هر دو خاصیت برای متانول با تغییر دما تغییر می کنند. از دیگر ویژگی های مهم متانول می توان به آتش گیری بالا (نقطه ی اشتعال پایین)، امتزاج کامل با آب و فشار بخار نسبتاً زیاد اشاره کرد. مجموعه ی این ویژگی ها پایه ی بسیاری از کاربردهای متانول به عنوان حلال، سوخت، جزء ضد یخ و ماده ی اولیه ی صنایع شیمیایی را تشکیل می دهد.

چرا چگالی متانول مهم است؟

چگالی متانول خاصیتی بنیادی است که نشان می دهد حجم مشخصی از این مایع چه مقدار جرم دارد. این موضوع در بسیاری از زمینه های عملی اهمیت دارد. در ذخیره سازی و حمل و نقل صنعتی، دانستن چگالی امکان تبدیل بین جرم و حجم را فراهم می کند که برای کنترل موجودی، طراحی فرآیند و ایمنی ضروری است. برای مثال، در دمای اتاق یک لیتر متانول جرمی در حدود ۰٫۷۹ کیلوگرم دارد، در حالی که یک لیتر آب تقریباً ۱ کیلوگرم است. چگالی کمتر متانول باعث می شود که در تماس اولیه روی آب شناور بماند تا زمانی که مخلوط و به محلول همگن تبدیل شود. در کاربردهای سوختی و موتوری، چگالی بر محتوای انرژی در واحد حجم تأثیر می گذارد؛ متانول به دلیل چگالی کمتر انرژی کمتری در هر لیتر نسبت به بنزین یا اتانول فراهم می کند که بر مصرف سوخت و تنظیم انژکتورها اثر می گذارد. چگالی همچنین با دما تغییر می کند: با گرم شدن متانول، مایع منبسط شده و چگالی کاهش می یابد؛ با سرد شدن، مایع منقبض شده و چگالی افزایش پیدا می کند. مهندسان باید این موضوع را هنگام کالیبره کردن دبی سنج ها، پر کردن مخازن یا محاسبه ی دبی جرمی در نظر بگیرند، زیرا حجم ثابت همیشه نشان دهنده ی جرم ثابت نیست. مفهوم گرانش مخصوص نیز که نسبت چگالی متانول به چگالی آب در یک دمای مرجع است، برای کنترل سریع کیفیت و خلوص مورد استفاده قرار می گیرد. در نتیجه، شناخت چگالی متانول برای اندازه گیری دقیق، عملیات اختلاط و حمل و نقل ایمن این ماده ضروری است.

چرا گرانروی متانول مهم است؟

گرانروی معیاری برای مقاومت مایع در برابر جریان یافتن است و به زبان ساده نشان می دهد که یک مایع چقدر غلیظ یا رقیق است. گرانروی متانول بسیار پایین است، یعنی این مایع به آسانی جریان می یابد و رفتاری شبیه مایعات غلیظ و چسبناک ندارد. این گرانروی پایین از جنبه های مختلف اهمیت دارد. در سیستم های سوخت رسانی، گرانروی کم متانول (حدود ۰٫۵ تا ۰٫۶ میلی پاسکال ثانیه در دمای اتاق) باعث می شود بتوان آن را از طریق نازل های ریز انژکتور به صورت قطرات کوچک اسپری کرد که به بهبود احتراق کمک می کند. در مقایسه با بنزین یا دیزل، متانول گرانروی کمتری دارد، که می تواند بر طراحی پمپ، آب بندی و روان کاری اثر بگذارد. برخی پمپ ها تا حدی برای روان کاری داخلی به گرانروی سیال وابسته هستند و مایع با گرانروی بسیار پایین ممکن است روان کاری کافی فراهم نکند و سایش را افزایش دهد. در فرآیندهای شیمیایی، رقیق بودن متانول امکان اختلاط و پخش سریع در راکتورها و خطوط لوله را فراهم می کند و انتقال جرم را بهبود می دهد، اما در عین حال باعث می شود نشت ها یا ریزش ها سریع تر پخش شوند. گرانروی همچنین بر انتقال حرارت و محاسبات جریان سیال اثر می گذارد، زیرا بر عدد رینولدز و تمایل جریان به آرام یا آشفته بودن تأثیر دارد. از نظر ایمنی، مایعی با گرانروی پایین مانند متانول می تواند از شکاف های کوچک به سرعت عبور کند. گرانروی متانول به شدت به دما وابسته است: افزایش دما گرانروی را به طور قابل توجهی کاهش می دهد و کاهش دما آن را تا حدی افزایش می دهد، هرچند متانول حتی در سرما نسبت به بسیاری از مایعات دیگر هنوز رقیق باقی می ماند.

چگالی متانول در دمای اتاق

در دمای اتاق (حدود ۲۰ درجه ی سانتی گراد یا ۶۸ درجه ی فارنهایت)، متانول یک مایع سبک با چگالی مشخص و شناخته شده است. چگالی آن در این شرایط حدود ۷۹۱ تا ۷۹۲ کیلوگرم بر متر مکعب است که معادل حدود ۰٫۷۹۱ گرم بر میلی لیتر می باشد. به عبارت دیگر، حجم مشخصی از متانول تنها حدود ۷۹ درصد جرم همان حجم آب را دارد. این چگالی نسبتاً پایین برای مایعات آلی سبک معمول است. برای نمونه، اتانول در ۲۰ درجه ی سانتی گراد چگالی حدود ۰٫۷۸۹ گرم بر میلی لیتر دارد که بسیار نزدیک به متانول است، در حالی که بسیاری از هیدروکربن ها چگالی های حتی پایین تری دارند. چگالی متانول در ۲۰ درجه ی سانتی گراد بدین معنی است که اگر آن را به آرامی روی آب بریزید، در ابتدا تمایل به شناور ماندن دارد تا زمانی که به دلیل امتزاج کامل با آب به محلولی یکنواخت تبدیل شود. چگالی در دمای اتاق اغلب به عنوان نقطه ی مرجع در جداول داده ی شیمیایی و برای کالیبراسیون ابزارها استفاده می شود. مشخصات متانول تجاری با خلوص بالا معمولاً گرانش مخصوصی نزدیک به ۰٫۷۹۲ در ۲۰ درجه ی سانتی گراد گزارش می کنند. یک مخزن که بر حسب لیتر درجه بندی شده است را می توان با ضرب کردن حجم در حدود ۰٫۷۹ به کیلوگرم متانول تبدیل کرد. همچنین محدوده ی مجاز چگالی در مشخصات کیفیت می تواند به عنوان شاخصی برای خلوص و وجود ناخالصی ها به کار رود.

گرانروی متانول در دمای اتاق

متانول در دمای اتاق مانند یک مایع بسیار رقیق و روان رفتار می کند. گرانروی دینامیک آن در حدود ۲۰ درجه ی سانتی گراد در حدود ۰٫۵۹ میلی پاسکال ثانیه (mPa·s) یا همان ۰٫۵۹ سانتی پواز (cP) است. برای مقایسه، گرانروی آب در ۲۰ درجه ی سانتی گراد حدود ۱٫۰ میلی پاسکال ثانیه می باشد، بنابراین متانول تقریباً نصف آب گرانرو است و راحت تر جریان پیدا می کند. این گرانروی پایین یکی از دلایل استفاده ی گسترده از متانول به عنوان حلال و سوخت در سیستم هایی است که پمپاژ و پاشش آسان نیاز دارند. در سیستم های انژکتوری، گرانروی پایین متانول تشکیل اسپری های ریز را تقویت می کند، هرچند می تواند روان کاری قطعات مکانیکی را کاهش دهد. در ۲۵ درجه ی سانتی گراد، گرانروی متانول کمی کمتر و حدود ۰٫۵۴ تا ۰٫۵۵ میلی پاسکال ثانیه است، که نشان می دهد حتی افزایش دما به اندازه ی چند درجه نیز می تواند باعث کاهش محسوس گرانروی شود. گرانروی سینماتیک متانول که از تقسیم گرانروی دینامیک بر چگالی به دست می آید، در ۲۰ درجه ی سانتی گراد در حدود ۰٫۷۵ میلی متر مربع بر ثانیه ۰٫۷۵ cSt است، در حالی که این مقدار برای آب در همان دما حدود ۱ cSt می باشد. این موضوع نشان می دهد متانول هم سبک تر و هم کم گرانروتر از آب است. در عمل، گرانروی پایین متانول باعث می شود این مایع حتی از میان روزنه های بسیار ریز نیز به خوبی عبور کند، اما از طرف دیگر، در سیستم های هیدرولیکی یا قطعاتی که بر مقاومت سیال برای میرا کردن ارتعاش یا حرکت تکیه دارند، اثر کمتری خواهد داشت.

تأثیر دما بر چگالی مایع

برای اغلب مایعات از جمله متانول، با افزایش دما چگالی کاهش می یابد. هنگامی که یک مایع گرم می شود، مولکول های آن انرژی بیشتری جذب می کنند و در میانگین فاصله ی بیشتری از هم قرار می گیرند، بنابراین مایع منبسط می شود. جرم ثابت می ماند، اما حجم افزایش می یابد، در نتیجه جرم در واحد حجم (چگالی) کاهش پیدا می کند. متانول نیز از این رفتار عمومی پیروی می کند. به طور عملی، متانول سرد کمی چگال تر از متانول گرم است. برای مثال، در دمای ۰ درجه ی سانتی گراد چگالی متانول در حدود ۸۱۰ کیلوگرم بر متر مکعب است، در حالی که در ۵۰ درجه ی سانتی گراد به حدود ۷۶۴ کیلوگرم بر متر مکعب کاهش می یابد. این مقدار حدود ۶ درصد کاهش چگالی در بازه ی ۵۰ درجه ای دما است. اگرچه رابطه بین دما و چگالی کاملاً خطی نیست، در محدوده های کوچک می توان از یک ضریب انبساط حجمی برای تقریب استفاده کرد. در نزدیکی دمای اتاق، ضریب انبساط حجمی متانول حدود ۰٫۰۰۱۲ بر درجه ی سانتی گراد است، یعنی افزایش ۱ درجه ی سانتی گراد باعث افزایش تقریبی ۰٫۱۲ درصدی در حجم و کاهش متناظر در چگالی می شود. در مخازن ذخیره، این اثر به این معناست که باید فضای خالی کافی برای انبساط حرارتی در نظر گرفته شود، به ویژه در صورتی که احتمال گرم شدن متانول وجود دارد. همچنین چگالی اندازه گیری شده باید همیشه به یک دمای مرجع مانند ۱۵ یا ۲۰ درجه ی سانتی گراد ارجاع داده شود تا مقایسه ی داده ها قابل اعتماد باشد.

تأثیر دما بر گرانروی

دما تأثیر بسیار قوی بر گرانروی دارد. برای مایعات، با افزایش دما گرانروی معمولاً کاهش می یابد و مایع رقیق تر و روان تر می شود. دلیل این موضوع آن است که گرما انرژی جنبشی مولکول ها را افزایش می دهد و به آن ها اجازه می دهد راحت تر بر نیروهای بین مولکولی غلبه کنند و روی یکدیگر بلغزند. متانول نیز از این قاعده مستثنی نیست و هنگام گرم شدن، گرانروی آن به میزان قابل توجهی کاهش می یابد. در دمای ۰ درجه ی سانتی گراد، گرانروی متانول حدود ۰٫۸۰۸ میلی پاسکال ثانیه است. در ۲۰ درجه ی سانتی گراد حدود ۰٫۵۹۳ میلی پاسکال ثانیه و در ۶۰ درجه ی سانتی گراد حدود ۰٫۳۴۹ میلی پاسکال ثانیه می باشد. این تغییر بزرگی است، زیرا بین ۰ تا ۶۰ درجه ی سانتی گراد گرانروی متانول بیش از نصف می شود. به صورت عملی، متانول در دمای نزدیک نقطه ی انجماد آب فقط کمی غلیظ تر از دمای اتاق است، اما در دماهای بالاتر بسیار رقیق می شود. وابستگی گرانروی به دما برای مایعات اغلب شکل نمایی یا آرنیوسی دارد. گرانروی سینماتیک نیز با افزایش دما کاهش می یابد و از حدود ۱ cSt در ۰ درجه ی سانتی گراد به حدود ۰٫۴۶ cSt در ۶۰ درجه ی سانتی گراد می رسد که ناشی از ترکیب کاهش گرانروی دینامیک و تغییر اندک در چگالی است. برای پمپ ها و خطوط لوله، گرانروی کمتر در دماهای بالاتر به معنای مقاومت کمتر و احتمالاً دبی بالاتر برای فشار ثابت است. از سوی دیگر، گرانروی بسیار پایین می تواند روان کاری را کاهش دهد و در طراحی تجهیزات باید به این مسئله توجه شود.

رفتار متانول در دماهای پایین

یکی از ویژگی های چشم گیر متانول توانایی آن در مایع ماندن در دماهای بسیار پایین است. برخلاف آب که در ۰ درجه ی سانتی گراد یخ می زند، متانول خالص تا حدود ۹۷٫۶- درجه ی سانتی گراد منجمد نمی شود. از نظر عملی، این بدان معناست که می توان متانول را در شرایط آب و هوایی بسیار سرد به کار برد و این ماده برای استفاده در ضد یخ ها و مایعات شیشه شوی زمستانی بسیار مناسب است. در دماهای نسبتاً پایین مانند ۲۰- درجه ی سانتی گراد، متانول هنوز یک مایع روان است، هرچند اندکی چگال تر و گرانروتر از دمای اتاق می باشد. در ۲۰- درجه ی سانتی گراد، چگالی آن حدود ۸۲۶ کیلوگرم بر متر مکعب و گرانروی دینامیک آن حدود ۱٫۱۳ میلی پاسکال ثانیه است که تقریباً دو برابر گرانروی متانول در ۲۰ درجه ی سانتی گراد می باشد. این تغییرات نشان می دهند که متانول در سرما کمی سنگین تر و غلیظ تر می شود، اما همچنان بسیار رقیق تر از آب سرد یا بسیاری از سیالات گلایکولی است. این ویژگی باعث می شود متانول در پایین آوردن نقطه ی انجماد مخلوط ها بسیار مفید باشد؛ حتی مخلوط ۵۰ درصد متانول و ۵۰ درصد آب تا حدود ۵۰- درجه ی سانتی گراد یخ نمی زند. هنگام استفاده از متانول در محیط های سرد، طراحان باید افزایش متوسط چگالی و گرانروی را در نظر بگیرند، زیرا دبی جرمی برای یک دبی حجمی مشخص ممکن است کمی افزایش یابد و پمپ ها اندکی مقاومت بیشتر احساس کنند. با این حال، متانول حتی در دماهای پایین نیز نسبتاً آسان پمپ و جابه جا می شود و این موضوع دلیل استفاده ی گسترده از آن در عملیات زمستانی، یخ زدایی و جلوگیری از تشکیل هیدرات در خطوط لوله است.

رفتار متانول در دماهای بالا

هنگامی که متانول تا نزدیکی نقطه ی جوش گرم می شود، خواص آن به طور محسوس تغییر می کنند. متانول در فشار اتمسفری در حدود ۶۴٫۷ درجه ی سانتی گراد (۱۴۸٫۵ درجه ی فارنهایت) به جوش می آید که نسبت به آب نقطه ی جوش پایینی است. با نزدیک شدن به این دما، چگالی مایع همچنان کاهش یافته و گرانروی آن بسیار کم می شود. در ۶۰ درجه ی سانتی گراد، چگالی متانول مایع حدود ۷۵۵ کیلوگرم بر متر مکعب و گرانروی آن حدود ۰٫۳۴۹ میلی پاسکال ثانیه است. در نقطه ی جوش، گرمای اضافه شده بیشتر برای تغییر فاز از مایع به بخار مصرف می شود تا تغییر بیشتر خواص فاز مایع. در فشار اتمسفری، نمی توان متانول مایع را به میزان قابل توجهی بالاتر از نقطه ی جوش آن گرم کرد، مگر این که در یک سیستم تحت فشار نگه داری شود. در تجهیزات تحت فشار، متانول می تواند در دماهای بالاتر نیز مایع بماند، اما فشار بخار آن و ریسک فلش شدن افزایش می یابد. نزدیک نقطه ی جوش، چگالی مایع اشباع نسبتاً پایین و گرانروی آن بسیار اندک است و مایع مقاومت چندانی در برابر جریان ایجاد نمی کند. این تغییرات با دما اثرات عملی بسیاری دارند. متانول داغ در هر واحد حجم جرم و انرژی کمتری نسبت به متانول سرد دارد که در اندازه گیری سوخت و محاسبات احتراق اهمیت دارد. گرانروی بسیار پایین در دماهای بالا مخلوط شدن و انتقال حرارت را بهبود می دهد، اما می تواند میرا کردن حرکت و روان کاری را کاهش دهد.

چگالی و گرانروی متانول در دماهای مختلف

یکی از بهترین روش ها برای مشاهده ی تأثیر دما، بررسی مقادیر واقعی چگالی و گرانروی متانول در دماهای مختلف است. جدول زیر چگالی و گرانروی متانول را در چند دمای انتخاب شده از شرایط سرد تا نزدیک جوش نشان می دهد. در این جدول، گرانروی دینامیک بر حسب mPa·s و گرانروی سینماتیک بر حسب mm²/s یا همان cSt و چگالی بر حسب kg/m³ ارائه شده است. تمامی مقادیر مربوط به متانول خالص در فشار اتمسفری و فاز مایع می باشند.

همان طور که در جدول دیده می شود، در دمای ۲۰- درجه ی سانتی گراد، متانول چگال تر (۸۲۶ کیلوگرم بر متر مکعب) و گرانروتر (حدود ۱٫۱۳ میلی پاسکال ثانیه) از دمای ۲۰ درجه ی سانتی گراد است که در آن چگالی حدود ۷۹۲ کیلوگرم بر متر مکعب و گرانروی حدود ۰٫۵۹۳ میلی پاسکال ثانیه می باشد. در محدوده ی ۵۰ تا ۶۰ درجه ی سانتی گراد، چگالی به حدود ۷۶۰ تا ۷۵۵ کیلوگرم بر متر مکعب و گرانروی به حدود ۰٫۳۵ تا ۰٫۴۰ میلی پاسکال ثانیه می رسد که تقریباً یک سوم مقدار آن در ۰ درجه ی سانتی گراد است. گرانروی سینماتیک نیز از حدود ۱٫۳۷ cSt در ۲۰- درجه ی سانتی گراد به حدود ۰٫۴۶ cSt در ۶۰ درجه ی سانتی گراد کاهش می یابد. این داده ها خیلی مفید است برای مهندس ها، زیرا نشان می دهد دما چگونه بر ویژگی های جریان و جرم حجمی متانول اثر می گذارد و در طراحی پمپ ها، انتخاب دبی سنج ها، محاسبه ی افت فشار و تحلیل انتقال حرارت در خطوط لوله و تجهیزات فرآیندی به کار می آید.