Solutions of alkyl methanoates and alkanes: Simultaneous modeling of phase equilibria and mixing properties. Estimation of behavior by UNIFAC with recalculation of parameters.

[EN]Isobaric vapor–liquid equilibria at p = 101.32 kPa (iso-p VLE) and the mixing properties, hE and vE, are determined for a set of twelve binary solutions: HCOOCuH2u+1(1)+CnH2n+2(2) with u = (1–4) and n = (7– 9). The (iso-p VLE) present deviations from the ideal behavior, which augment as u diminishes and n increases. Systems with [u = 2,3 n = 7] and [u =4 , n = 7,8] present a minimum-boiling azeotrope. The nonideality is also reflected in high endothermic values, hE > 0, and expansive effects, vE > 0, for all the binaries, which increase regularly with n

The Crystal-t Algorithm: A New Approach To Calculate The Sle Of Lipidic Mixtures Presenting Solid Solutions.

Lipidic mixtures present a particular phase change profile highly affected by their unique crystalline structure. However, classical solid-liquid equilibrium (SLE) thermodynamic modeling approaches, which assume the solid phase to be a pure component, sometimes fail in the correct description of the phase behavior. In addition, their inability increases with the complexity of the system. To overcome some of these problems, this study describes a new procedure to depict the SLE of fatty binary mixtures presenting solid solutions, namely the Crystal-T algorithm. Considering the non-ideality of both liquid and solid phases, this algorithm is aimed at the determination of the temperature in which the first and last crystal of the mixture melts. The evaluation is focused on experimental data measured and reported in this work for systems composed of triacylglycerols and fatty alcohols. The liquidus and solidus lines of the SLE phase diagrams were described by using excess Gibbs energy based equations, and the group contribution UNIFAC model for the calculation of the activity coefficients of both liquid and solid phases. Very low deviations of theoretical and experimental data evidenced the strength of the algorithm, contributing to the enlargement of the scope of the SLE modeling.

WATER ACTIVITY OF AQUEOUS SOLUTIONS OF ETHYLENE OXIDE-PROPYLENE OXIDE BLOCK COPOLYMERS AND MALTODEXTRINS

The water activity of aqueous solutions of EO-PO block copolymers of six different molar masses and EO/PO ratios and of maltodextrins of three different molar masses was determined at 298.15 K. The results showed that these aqueous solutions present a negative deviation from Raoult`s law. The Flory-Huggins and UNIFAC excess Gibbs energy models were employed to model the experimental data. While a good agreement was obtained with the Flory-Huggins equation, discrepancies were observed when predicting the experimental behavior with the UNIFAC model. The water activities of ternary systems formed by a synthetic polymer, maltodextrin and water were also measured and used to test the predictive capability of both models.

A modified pore-filling isotherm for liquid-phase adsorption in activated carbon

This article modifies the usual form of the Dubinin-Radushkevich pore-filling model for application to liquid-phase adsorption data, where large molecules are often involved. In such cases it is necessary to include the repulsive part of the energy in the micropores, which is accomplished here by relating the pore potential to the fluid-solid interaction potential. The model also considers the nonideality of the bulk liquid phase through the UNIFAC activity coefficient model, as well as structural heterogeneity of the carbon. For the latter the generalized adsorption integral is used while incorporating the pore-size distribution obtained by density functional theory analysis of argon adsorption data. The model is applied here to the interpretation of aqueous phase adsorption isotherms of three different esters on three commercial activated carbons. Excellent agreement between the model and experimental data is observed, and the fitted Lennard-Jones size parameter for the adsorbate-adsorbate interactions compares well with that estimated from known critical properties, supporting the modified approach. On the other hand, the model without consideration of bulk nonideality, or when using classical models of the characteristic energy, gives much poorer bts of the data and unrealistic parameter values.

The use of liquid phase adsorption isotherms for characterization of activated carbons

The characterization of three commercial activated carbons was carried out using the adsorption of various compounds in the aqueous phase. For this purpose the generalized adsorption isotherm was employed, and a modification of the Dubinin-Radushkevich pore filling model, incorporating repulsive contributions to the pore potential as well as bulk liquid phase nonideality, was used as the local isotherm. Eight different flavor compounds were used as adsorbates, and the isotherms were jointly fitted to yield a common pore size distribution for each carbon. The bulk liquid phase nonideality was incorporated through the UNIFAC activity coefficient model, and the repulsive contribution to the pore potential was incorporated through the Steele 10-4-3 potential model. The mean micropore network coordination number for each carbon was also determined from the fitted saturation capacity based on percolation theory. Good agreement between the model and the experimental data was observed. In addition, excellent agreement between the bimodal gamma pore size distribution and density functional theory-cum-regularization-based pore size distribution obtained by argon adsorption was also observed, supporting the validity of the model. The results show that liquid phase adsorption, using adsorptive molecules of different sizes, can be an effective means of characterizing the pore size distribution as well as connectivity. Alternately, if the carbon pore size distribution is independently known, the method can be used to measure critical molecular sizes. (C) 2001 Elsevier Science.

Characterization of activated carbons using liquid phase adsorption

A modification of the Dubinin-Radushkevich pore filling model by incorporation of the repulsive contribution to the pore potential, and of bulk non-ideality, is proposed in this paper for characterization of activated carbon using liquid phase adsorption. For this purpose experiments have been performed using ethyl propionate, ethyl butyrate, and ethyl isovalerate as adsorbates and the microporous-mesoporous activated carbons Filtrasorb 400, Norit ROW 0.8 and Norit ROX 0.8 as adsorbents. The repulsive contribution to the pore potential is incorporated through a Lennard-Jones intermolecular potential model, and the bulk-liquid phase non-ideality through the UNIFAC activity coefficient model. For the characterization of activated carbons, the generalized adsorption isotherm is utilized with a bimodal gamma function as the pore size distribution function. It is found that the model can represent the experimental data very well, and significantly better than when the classical energy-size relationship is used, or when bulk non-ideality is neglected. Excellent agreement between the bimodal gamma pore size distribution and DFT-cum-regularization based pore size distribution is also observed, supporting the validity of the proposed model. (C) 2001 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Vapor - liquid equilibrium of systems containing perfluoromethyl-cyclohexane and hydrocarbons

Vapor - liquid equilibrium data for the binary systems: Perfluoromethylcyclohexane + n-Hexane and Perfluoromethylcyclohexane + 1-Hexene were determined at 93.3 KPa and 328.15 K. The vapor pressure for the pure components were also measured to calculate the Antoine constants. The data were correlated by using the Van-Laar, Margules, Wilson, NRTL and UNIQUAC equations. UNIFAC group-contribution parameters between CH, and CF,, and CH,=CH and CF, were also calculated.

Modeling of non-isothermalvapor membrane separation with thermodynamic models and generalized mass transfer equations

A rigorous unit operation model is developed for vapor membrane separation. The new model is able to describe temperature, pressure, and concentration dependent permeation as wellreal fluid effects in vapor and gas separation with hydrocarbon selective rubbery polymeric membranes. The permeation through the membrane is described by a separate treatment of sorption and diffusion within the membrane. The chemical engineering thermodynamics is used to describe the equilibrium sorption of vapors and gases in rubbery membranes with equation of state models for polymeric systems. Also a new modification of the UNIFAC model is proposed for this purpose. Various thermodynamic models are extensively compared in order to verify the models' ability to predict and correlate experimental vapor-liquid equilibrium data. The penetrant transport through the selective layer of the membrane is described with the generalized Maxwell-Stefan equations, which are able to account for thebulk flux contribution as well as the diffusive coupling effect. A method is described to compute and correlate binary penetrant¿membrane diffusion coefficients from the experimental permeability coefficients at different temperatures and pressures. A fluid flow model for spiral-wound modules is derived from the conservation equation of mass, momentum, and energy. The conservation equations are presented in a discretized form by using the control volume approach. A combination of the permeation model and the fluid flow model yields the desired rigorous model for vapor membrane separation. The model is implemented into an inhouse process simulator and so vapor membrane separation may be evaluated as an integralpart of a process flowsheet.

Influência da temperatura na solubilidade de beta-caroteno em solventes orgânicos à pressão ambiente

O presente trabalho reporta dados experimentais de solubilidade em pressão ambiente de beta-caroteno em solventes orgânicos puros (etanol, acetona, acetato de etila e diclorometano) e em misturas de tais solventes no intervalo de temperatura de 10 a 60 °C. Para este fim, adotou-se o método gravimétrico para a determinação da solubilidade, utilizando células encamisadas de equilíbrio. Os resultados mostraram que valores mais elevados de solubilidade são obtidos quando foram empregados solventes com parâmetros de solubilidade mais próximos daquele do soluto. Verificou-se que o aumento da temperatura, tanto para solventes puros, como para as misturas de solventes, acarretou num aumento da solubilidade do beta-caroteno para todas as condições experimentais. Observou-se ainda, que nas condições experimentais investigadas, não houve sinergismo significativo para as misturas de solventes quando comparadas aos valores de solubilidade obtidos para os solventes puros. O modelo UNIFAC se mostrou útil na previsão qualitativa dos resultados de solubilidade.

Esterificação direta de butenos com ácido acético em fase líquida

Este trabalho investiga o comportamento da reação de esterificação direta de butenos com ácido acético em fase líquida a partir de uma carga contendo butenos e butano. O estudo faz parte de um projeto que visa desenvolver uma rota alternativa para a produção do acetato de sec-butila, um solvente amplamente utilizado na indústria de tintas e vernizes e de elevado valor agregado. Foram testados três tipos de catalisadores para a reação de interesse: zeólitas, resinas de troca iônica e um catalisador a base de óxido de nióbio. As resinas mostraram-se mais eficientes sendo que, entre as resinas, aquela que apresentou maior conversão a acetato foi a resina Amberlyst 36 Dry. O estudo avaliou também a desativação do catalisador num tempo de aproximadamente 300h de operação a 90 ºC. Observou-se que, além do acetato de sec-butila, os principais sub-produtos formados foram o álcool sec-butílico, o éter butílico e oligômeros provenientes do buteno. Foram realizados experimentos a 50 ºC, 70 ºC, 90 ºC e 110 ºC com a razão molar inicial de ácido/buteno variando entre 0,6 e 2,6. Os testes foram conduzidos em um reator batelada com volume útil de um litro acoplado a um cromatógrafo, na ausência de efeitos difusivos. Foi proposto um modelo pseudo-homogêneo para descrever o comportamento da reação e foram estimadas as energias de ativação e os coeficientes pré-exponenciais das reações direta e inversa. A constante de equilíbrio termodinâmico também foi calculada, utilizando o modelo UNIFAC para a determinação dos coeficientes de atividade. Finalmente, os dados de equilíbrio foram comparados com os dados cinéticos, observando-se boa correlação principalmente para as temperaturas de trabalho mais altas.

Estudo do equilíbrio líquido-vapor do sistema água+etanol+líquido iônico visando a separação do álcool anidro

Anhydrous ethanol is used in chemical, pharmaceutical and fuel industries. However, current processes for obtaining it involve high cost, high energy demand and use of toxic and pollutant solvents. This problem occurs due to the formation of an azeotropic mixture of ethanol + water, which does not allow the complete separation by conventional methods such as simple distillation. As an alternative to currently used processes, this study proposes the use of ionic liquids as solvents in extractive distillation. These are organic salts which are liquids at low temperatures (under 373,15 K). They exhibit characteristics such as low volatility (almost zero/ low vapor ), thermal stability and low corrosiveness, which make them interesting for applications such as catalysts and as entrainers. In this work, experimental data for the vapor pressure of pure ethanol and water in the pressure range of 20 to 101 kPa were obtained as well as for vapor-liquid equilibrium (VLE) of the system ethanol + water at atmospheric pressure; and equilibrium data of ethanol + water + 2-HDEAA (2- hydroxydiethanolamine acetate) at strategic points in the diagram. The device used for these experiments was the Fischer ebulliometer, together with density measurements to determine phase compositions. The experimental data were consistent with literature data and presented thermodynamic consistency, thus the methodology was properly validated. The results were favorable, with the increase of ethanol concentration in the vapor phase, but the increase was not shown to be pronounced. The predictive model COSMO-SAC (COnductor-like Screening MOdels Segment Activity Coefficient) proposed by Lin & Sandler (2002) was studied for calculations to predict vapor-liquid equilibrium of systems ethanol + water + ionic liquids at atmospheric pressure. This is an alternative for predicting phase equilibrium, especially for substances of recent interest, such as ionic liquids. This is so because no experimental data nor any parameters of functional groups (as in the UNIFAC method) are needed

Modelagem e simulação da solubilização da parafina em tubos circulares e em regime laminar

O óleo produzido nos novos campos de petróleo está cada vez mais parafínico e viscoso, com isso, à medida que o óleo é escoado, parafinas são depositadas sobre as paredes internas do tubo, e ao longo do tempo, tendem a reduzir drasticamente a área transversal ao escoamento. Visando estudar o processo de solubilização da parafina em dutos, esse trabalho objetiva desenvolver modelos matemáticos que represente o processo, com base nos fenômenos envolvidos no mesmo tais como transferência de massa, transferência de energia e equilíbrio sólido-líquido, implementando-os em um ambiente de desenvolvimento VBA (Visual Basic) for Excel ®. O presente trabalho foi realizado em quatro etapas: i) modelagem dos fenômenos de transferência de calor e massa, ii) modelagem da rotina dos coeficientes de atividade através do modelo UNIFAC e modelagem do sistema de equilíbrio sólido-líquido; iii) modelagem matemática do processo de solubilização e cálculo da espessura da parafina ao longo do tempo; iv) implementação dos modelos em um ambiente de desenvolvimento VBA for Excel® e criação de um simulador com uma interface gráfica, para simular o processo de solubilização da parafina depositada em dutos e sua otimização. O simulador conseguiu produzir soluções bastante adequadas, mantendo continuidade das equações diferenciáveis do balanço de energia e de massa, com uma interpretação física viável, sem a presença de dissipação de oscilações nos perfis de temperatura e massa. Além disso, esse simulador visa permitir a simulação nas diversas condições de escoamento, bem como compreender a importância das variáveis (vazão, temperatura de entrada, temperatura externa, cadeia carbônica do solvente). Através dos resultados foram possíveis verificar os perfis de temperatura, fração molar e o de solubilização

Water activity of aqueous solutions of ethylene oxide-propylene oxide block copolymers and maltodextrins

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Optimización de operaciones unitarias utilizando líquidos iónicos como agentes materiales de separación

En este trabajo se estudia la modelización y optimización de procesos industriales de separación mediante el empleo de mezclas de líquidos iónicos como disolventes. Los disolventes habitualmente empleados en procesos de absorción o extracción suelen ser componentes orgánicos muy volátiles y dañinos para la salud humana. Las innovadoras propiedades que presentan los líquidos iónicos, los convierten en alternativas adecuadas para solucionar estos problemas. La presión de vapor de estos compuestos es muy baja y apenas varía con la temperatura. Por tanto, estos compuestos apenas se evaporan incluso a temperaturas altas. Esto supone una gran ventaja en cuanto al empleo de estos compuestos como disolventes industriales ya que permite el reciclaje continuo del disolvente al final del proceso sin necesidad de introducir disolvente fresco debido a la evaporación del mismo. Además, al no evaporarse, estos compuestos no suponen un peligro para la salud humana por inhalación; al contrario que otros disolventes como el benceno. El único peligro para la salud que tienen estos compuestos es por tanto el de contacto directo o ingesta, aunque de hecho muchos Líquidos Iónicos son inocuos con lo cual no existe peligro para la salud ni siquiera a través de estas vías. Los procesos de separación estudiados en este trabajo, se rigen por la termodinámica de fases, concretamente el equilibrio líquido-vapor. Para la predicción de los equilibrios se ha optado por el empleo de modelos COSMO (COnductor-like Screening MOdel). Estos modelos tienen su origen en el empleo de la termodinámica de solvatación y en la mecánica cuántica. En el desarrollo de procesos y productos, químicos e ingenieros frecuentemente precisan de la realización de cálculos de predicción de equilibrios de fase. Previamente al desarrollo de los modelos COSMO, se usaban métodos de contribución de grupos como UNIFAC o modelos de coeficientes de actividad como NRTL.La desventaja de estos métodos, es que requieren parámetros de interacción binaria que únicamente pueden obtenerse mediante ajustes por regresión a partir de resultados experimentales. Debido a esto, estos métodos apenas tienen aplicabilidad para compuestos con grupos funcionales novedosos debido a que no se dispone de datos experimentales para llevar a cabo los ajustes por regresión correspondientes. Una alternativa a estos métodos, es el empleo de modelos de solvatación basados en la química cuántica para caracterizar las interacciones moleculares y tener en cuenta la no idealidad de la fase líquida. Los modelos COSMO, permiten la predicción de equilibrios sin la necesidad de ajustes por regresión a partir de resultados experimentales. Debido a la falta de resultados experimentales de equilibrios líquido-vapor de mezclas en las que se ven involucrados los líquidos iónicos, el empleo de modelos COSMO es una buena alternativa para la predicción de equilibrios de mezclas con este tipo de materiales. Los modelos COSMO emplean las distribuciones superficiales de carga polarizada (sigma profiles) de los compuestos involucrados en la mezcla estudiada para la predicción de los coeficientes de actividad de la misma, definiéndose el sigma profile de una molécula como la distribución de probabilidad de densidad de carga superficial de dicha molécula. Dos de estos modelos son COSMO-RS (Realistic Solvation) y COSMO-SAC (Segment Activity Coefficient). El modelo COSMO-RS fue la primera extensión de los modelos de solvatación basados en continuos dieléctricos a la termodinámica de fases líquidas mientras que el modelo COSMO-SAC es una variación de este modelo, tal y como se explicará posteriormente. Concretamente en este trabajo se ha empleado el modelo COSMO-SAC para el cálculo de los coeficientes de actividad de las mezclas estudiadas. Los sigma profiles de los líquidos iónicos se han obtenido mediante el empleo del software de química computacional Turbomole y el paquete químico-cuántico COSMOtherm. El software Turbomole permite optimizar la geometría de la molécula para hallar la configuración más estable mientras que el paquete COSMOtherm permite la obtención del perfil sigma del compuesto mediante el empleo de los datos proporcionados por Turbomole. Por otra parte, los sigma profiles del resto de componentes se han obtenido de la base de datos Virginia Tech-2005 Sigma Profile Database. Para la predicción del equilibrio a partir de los coeficientes de actividad se ha empleado la Ley de Raoult modificada. Se ha supuesto por tanto que la fracción de cada componente en el vapor es proporcional a la fracción del mismo componente en el líquido, dónde la constante de proporcionalidad es el coeficiente de actividad del componente en la mezcla multiplicado por la presión de vapor del componente y dividido por la presión del sistema. Las presiones de vapor de los componentes se han obtenido aplicando la Ley de Antoine. Esta ecuación describe la relación entre la temperatura y la presión de vapor y se deduce a partir de la ecuación de Clausius-Clapeyron. Todos estos datos se han empleado para la modelización de una separación flash usando el algoritmo de Rachford-Rice. El valor de este modelo reside en la deducción de una función que relaciona las constantes de equilibrio, composición total y fracción de vapor. Para llevar a cabo la implementación del modelado matemático descrito, se ha programado un código empleando el software MATLAB de análisis numérico. Para comprobar la fiabilidad del código programado, se compararon los resultados obtenidos en la predicción de equilibrios de mezclas mediante el código con los resultados obtenidos mediante el simulador ASPEN PLUS de procesos químicos. Debido a la falta de datos relativos a líquidos iónicos en la base de datos de ASPEN PLUS, se han introducido estos componentes como pseudocomponentes, de manera que se han introducido únicamente los datos necesarios de estos componentes para realizar las simulaciones. El modelo COSMO-SAC se encuentra implementado en ASPEN PLUS, de manera que introduciendo los sigma profiles, los volúmenes de la cavidad y las presiones de vapor de los líquidos iónicos, es posible predecir equilibrios líquido-vapor en los que se ven implicados este tipo de materiales. De esta manera pueden compararse los resultados obtenidos con ASPEN PLUS y como el código programado en MATLAB y comprobar la fiabilidad del mismo. El objetivo principal del presente Trabajo Fin de Máster es la optimización de mezclas multicomponente de líquidos iónicos para maximizar la eficiencia de procesos de separación y minimizar los costes de los mismos. La estructura de este problema es la de un problema de optimización no lineal con variables discretas y continuas, es decir, un problema de optimización MINLP (Mixed Integer Non-Linear Programming). Tal y como se verá posteriormente, el modelo matemático de este problema es no lineal. Por otra parte, las variables del mismo son tanto continuas como binarias. Las variables continuas se corresponden con las fracciones molares de los líquidos iónicos presentes en las mezclas y con el caudal de la mezcla de líquidos iónicos. Por otra parte, también se ha introducido un número de variables binarias igual al número de líquidos iónicos presentes en la mezcla. Cada una de estas variables multiplican a las fracciones molares de sus correspondientes líquidos iónicos, de manera que cuando dicha variable es igual a 1, el líquido se encuentra en la mezcla mientras que cuando dicha variable es igual a 0, el líquido iónico no se encuentra presente en dicha mezcla. El empleo de este tipo de variables obliga por tanto a emplear algoritmos para la resolución de problemas de optimización MINLP ya que si todas las variables fueran continuas, bastaría con el empleo de algoritmos para la resolución de problemas de optimización NLP (Non-Linear Programming). Se han probado por tanto diversos algoritmos presentes en el paquete OPTI Toolbox de MATLAB para comprobar cuál es el más adecuado para abordar este problema. Finalmente, una vez validado el código programado, se han optimizado diversas mezclas de líquidos iónicos para lograr la máxima recuperación de compuestos aromáticos en un proceso de absorción de mezclas orgánicas. También se ha usado este código para la minimización del coste correspondiente a la compra de los líquidos iónicos de la mezcla de disolventes empleada en la operación de absorción. En este caso ha sido necesaria la introducción de restricciones relativas a la recuperación de aromáticos en la fase líquida o a la pureza de la mezcla obtenida una vez separada la mezcla de líquidos iónicos. Se han modelizado los dos problemas descritos previamente (maximización de la recuperación de Benceno y minimización del coste de operación) empleando tanto únicamente variables continuas (correspondientes a las fracciones o cantidades molares de los líquidos iónicos) como variables continuas y binarias (correspondientes a cada uno de los líquidos iónicos implicados en las mezclas).

Liquid–Liquid, Vapor–Liquid, and Vapor–Liquid–Liquid Equilibrium Data for the Water–n-Butanol–Cyclohexane System at Atmospheric Pressure: Experimental Determination and Correlation

The temperature and the composition of the vapor–liquid–liquid equilibrium (VLLE) and the vapor–liquid equilibrium (VLE) of a ternary mixture of water–n-butanol–cyclohexane were measured at atmospheric pressure (101.32 kPa) in a modified dynamic recirculating still. As found in the literature, the experimental data obtained reveal a ternary azeotrope at 341.86 K with a mole fraction composition of 0.281, 0.034, and 0.685 water, n-butanol, and cyclohexane, respectively. The liquid–liquid equilibrium (LLE) compositions were measured at a constant temperature of 313.15 K and compared with data in the literature collected at other temperatures. Thermodynamic consistency of all the experimental data was demonstrated. The universal quasichemical (UNIQUAC) and the nonrandom two-liquid (NRTL) thermodynamic models were used to correlate the VLE and LLE data, while the original universal functional (UNIFAC) model was used to compare the predicted data.