Mikro-mekanik çubuk temelli sensörlerin etanol-CO2 akışkan karışımlarının yüksek basınçta karakterizasyonu için kullanımı

Yüksek basınçta etanol-CO2 karışımlarının kompozisyonlarının belirlenmesi, alkojellerin kurutulması ya da mikro elektromekanik cihazların salınımı gibi süperkritik akışkanlar ile ilgili birçok uygulama için önem taşımaktadır. Etanol-CO2 karşımınım viskozitesi de süperkritik anti-çözücüsü (SAS) ve gözenek içinde süperkritik anti-çözücü çökelmesi (SASIP) işlemlerinin dinamiklerini anlamak, süperkritik akışkanlar tabanlı süreçlerin tasarımı ve optimizasyonu, Reynolds ve Schmidt sayılarının hesaplanması ve etanol-CO2 karışımlarının difüzyon katsayılarının mevcut korelasyonlarla tahmin edilmesi gibi birçok uygulama ve süreç için önem taşımaktadır. Akışkan karışımı içeresine daldırılmış salınımlı mikro mekanik çubukların frekans tepkisi, karışımın kompozisyonunun ve viskozitesinin geniş bir sıcaklık ve basınç aralığında belirlenmesinde kullanılabilir. Bu çalışmada etanol-CO2 karışımlarının içine daldırılmış ferromanyetik nikel mikro-mekanik çubukların rezonans frekansını ve kalite faktörlerini (Q-factor) 308-333 K sıcaklık ve 7-33 MPa basınç aralığında ölçülmüştür. Ölçümler sıcaklık ve basınç kontrollü yüksek basınç kabı, daldırılmış mikro-mekanik çubukların manyetik aktüasyonu için gereken bir bibon, mikro-mekanik çubukların değişimini optik olarak okumak için kuadrant fotodetektörü içeren isteğe göre yapılmış deney düzeneğinde gerçekleştirilmiştir. Bu tezde mikro-mekanik çubukların frekans tepkisi ölçümlerinin kullanarak dört farklı çalışma yapılmıştır: (i) etanol-CO2 karışımlarının kompozisyonlarının belirlenmesi, (ii) mikro-mekanik çubukların kompozisyon ölçümleri için hassasiyeti (iii) karışımların viskozite ölçümleri ve (iv) mikro-mekanik çubukların viskozite ölçüm hassasiyetleri. Etanolün kütlece oranı 0.0091-0.0616 olan etanol-CO2 karışımlarına daldırılmış mikro-mekanik çubukların frekans tepkimesi 308 K'de ve 8-22 MPa basınç aralığında ölçülmüştür. Rezonans frekansının ve Q faktörün, karışımdaki etanolün kütle oranı artışıyla düzgün bir şekilde azaldığı bulunmuştur. Sabit sıcaklıkta rezonans frekansının akışkan kompozisyonuna olan hassasiyetinin azalan basınçla birlikte arttığı bulunmuştur. Deneysel sonuçlar, etanol-CO2 karışımının kompozisyonun yüksek basınçlarda, temel olarak mikro-mekanik çubukların rezonans tepkisi ölçümü yöntemiyle iyi bir doğruluk payıyla belirlenebileceğini göstermiştir. Rezonans frekansında farklı kompozisyonların fonksiyonu olarak kayda değer değişimlerin olması, bu yöntemin aerojel üretimi için süperkritik kurutma işleminde ekstraktör çıkışındaki etanol konsantrasyonunun zamana bağlı olarak ölçülmesinde ve kurutma işleminin sonlandığı noktayı belirlemede potansiyel olarak kullanılabileceğini önermektedir. Sader'in salınımlı daldırılmış mikro-mekanik çubuğun etrafındaki akışkan ile hidrodinamik etkileşiminin modelini baz alarak hassasiyet için, hem karışımın öz kütlesinin ve viskozitesinin hem de mikro-mekanik çubuğun boyunun, genişliğinin, kalınlığının ve öz kütlesinin kompleks fonksiyonu olarak analitik denklemler elde ettik. 318 K'de ve 10-21 MPa basınç aralığında, kütlece 0-0.04 oranında etanol içeren etanol-CO2 karışımlarının içinde daldırılmış mikro-mekanik çubukların frekans tepkisi ölçülmüştür. Çeşitli kompozisyonlardaki etanol-CO2 karışımı için daha önce yayımlanan öz kütle ve viskozite verileriyle birlikte ölçülen rezonans tepkisi ve kalite faktörlerini kullanarak her sıcaklık ve basınçta hassasiyet ölçülmüştür ve algılama limiti belirlenmiştir. Özellikle, şu anki sistemimizde algılama limiti, 10-21 MPa basınç aralığında 150 µm uzunluğundaki bir mikro-mekanik çubuk için karışımdaki etanolün kütlece oranı olarak 0.0009 ile 0.0071 değerleri arasında değişmiştir. Sonuçlar ikna edici bir şekilde minyatür mikro-mekanik çubuk bazlı probların, yüksek basınçta gerçekleşen teknolojik proseslerde akışkan karışımlarının kompozisyonların yerinde, hızlı ve hassas olarak belirlenmesindeki potansiyelini göstermektedir. Ek olarak, etanolün kütlece oranı 0.290 ile 0.882 arası değişen değişik kompozisyonlardaki etanol-CO2 karışımlarının viskozitesi için yeni deneysel verileri sunulmuştur. Deneyler 308 ile 333 K sıcaklık ve 7 ile 33 MPa basınç değerleri arasında, tek faz bölgesinde gerçekleştirilmiştir. Etanol-CO2 karışımlarının viskozitesi karışıma daldırılmış salınımlı mikro-mekanik çubukların frekans tepkileri kullanılarak ölçülmüştür. Belirli bir sıcaklık ve basınçta, etanolün kütlece oranı arttıkça karışımın viskozitesi artmıştır. Belirli bir etanolün kütlece oranında, viskozite sabit öz kütlede artan sıcaklıkla birlikte azalmıştır. Refutas denklemi etanolün kütlece oranı 0.29'dan büyük karışımların viskozitelerini başarılı bir şekilde tahmin edebilmektedir. Son olarak, mikro-mekanik çubuğun kalite faktörünün karışımın viskozitesine göre türevi olarak tanımlanan, viskozite ölçüm hassasiyeti üzerine çalışmalar yapılmıştır. Hassasiyet için, Sader'in modelini temel alan analitik bir denklem elde edilmiştir. Çeşitli kompozisyonlardaki karışımların öz kütle ve viskozite verileriyle birlikte, 308 – 333 K sıcaklık aralığında kütlece 0.290 ile 0.882 oranında etanol içeren etanol-CO2 karışımlarına daldırılmış mikro-mekanik çubukların frekans tepkisi verilerini kullanarak, her bir karışım kompozisyonundaki model hassasiyeti hesaplanmıştır. Model hassasiyeti deneysel hassasiyetle karşılaştırılmıştır ve göreceli farklar hesaplanmıştır. Viskozite ölçümlerinin algılama limiti deneysel hassasiyet ve belirli bir karışım kompozisyonunda Q-faktörlerin ortalama standart sapmaları kullanılarak belirlenmiştir. Sonuçlar, şu anki sistemde algılama limiti 2.69 ile 12.46 µPa.s. aralığında değiştiğini göstermektedir. Sonuçlarımız mikro-mekanik çubuk bazlı sensörlerin, yüksek basınçta gerçekleşen teknolojik proseslerde akışkan karışımlarının viskozitelerinin ölçümü için viskometre olarak kullanılabileceğini göstermektedir.