Πειραματικές μετρήσεις και μοντελοποίηση ισορροπίας φάσεων σε μίγματα που περιέχουν ιοντικά υγρά τρίτης γενιάς

Μουρσελάς, Σωκράτης; Mourselas, Sokratis

dc.contributor.author	Μουρσελάς, Σωκράτης	el
dc.contributor.author	Mourselas, Sokratis	en
dc.date.accessioned	2019-07-04T11:46:10Z
dc.date.available	2019-07-04T11:46:10Z
dc.date.issued	2019-07-04
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/48977
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.16272
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Χολίνη	el
dc.subject	Αιθυλενογλυκόλη	el
dc.subject	Αζεότροπο	el
dc.subject	Μοντελοποίηση	el
dc.subject	Διαχωρισμός	el
dc.subject	Αιθανόλη	el
dc.subject	Νερό	el
dc.subject	Deep eutectic solvents	en
dc.subject	Βαθείς ευτηκτικοί διαλύτες	el
dc.subject	Choline chloride	en
dc.subject	Ethylene glycol	en
dc.subject	Azeotrope	en
dc.subject	Modelling	en
dc.subject	Separation	en
dc.subject	Ethanol	en
dc.subject	Water	en
dc.title	Πειραματικές μετρήσεις και μοντελοποίηση ισορροπίας φάσεων σε μίγματα που περιέχουν ιοντικά υγρά τρίτης γενιάς	el
dc.title	Experimental research and modelling of phase equilibrium in mixtures containing third generation ionic liquids	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Θερμοδυναμική	el
heal.classification	Thermodynamics	en
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/818b3f4597347b0748b1c62b91d4188d897dbb07
heal.classificationURI	http://id.loc.gov/authorities/subjects/sh85134783
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2019-02-21
heal.abstract	Η παρούσα διπλωματική εργασία αποσκοπεί στην πειραματική μελέτη και τη μοντελοποίηση της συμπεριφοράς του μίγματος αιθανόλης με νερό παρουσία του βαθύ ευτηκτικού διαλύτη ChCl:EG(1:2). Oι βαθείς ευτηκτικοί διαλύτες (BEΔ) αναγνωρίζονται ως μια νέα κατηγορία διαλυτών, αναλόγων των ιοντικών υγρών με προοπτική να αντικαταστήσουν τους κοινούς οργανικούς διαλύτες σε πολλές διεργασίες. Οι ΒΕΔ παρασκευάζονται μέσα από την ανάμιξη ενώσεων δεκτών δεσμών υδρογόνου (ΗΒΑ) και ενώσεων δοτών δεσμών υδρογόνου (HBD) και εμφανίζουν παρόμοιες φυσικοχημικές ιδιότητες με τα ιοντικά υγρά, υπερτερώντας σε τομείς όπως το κόστος των πρώτων υλών και η φιλικότητα τους προς το περιβάλλον. Συνήθως, τουλάχιστον ένα από τα δύο παραπάνω συστατικά των ΒΕΔ βρίσκεται σε στερεή μορφή και πράγματι στην περίπτωση του ΒΕΔ ChCl:EG(1:2) σε αυτή την κατάσταση βρίσκεται η χολίνη (ChCl), ενώ η αιθυλενογλυκόλη (EG) χρησιμοποιήθηκε στην υγρή μορφή της. Για τη σύνθεση του ChCl:EG(1:2) ήταν αρκετή η ανάμειξη των συστατικών στην ζητούμενη στοιχειομετρική αναλογία με τη βοήθεια ήπιας θέρμανσης σε περιβάλλον αζώτου. Στο πλαίσιο αυτής της διπλωματικής εργασίας ο ΒΕΔ ChCl:EG(1:2) μελετάται ως συνδιαλύτης στη διεργασία της εκχυλιστικής απόσταξης του αζεοτροπικού μίγματος αιθανόλης-νερού σε ατμοσφαιρική πίεση, όπου είναι γνωστό ότι το μίγμα αιθανόλης-νερού εμφανίζει αζεότροπο, ελαχίστου ως προς τη θερμοκρασία. Για το σκοπό αυτό διεξήχθησαν πειραματικές μετρήσεις ισορροπίας φάσεων ατμού-υγρού σε σταθερή πίεση (1013.3 mbar) του τριαδικού μίγματος αιθανόλη-νερό- ChCl:EG(1:2) για τρεις αρχικές συγκεντρώσεις του ChCl:EG(1:2): 5%, 10% και 15% κατά βάρος. Παράλληλα, πραγματοποιήθηκαν πειραματικές μετρήσεις ισορροπίας φάσεων ατμού-υγρού στα μίγματα αιθανόλης με ChCl:EG(1:2) καθώς και νερού με ChCl:EG(1:2) προκειμένου να μελετηθεί η συμπεριφορά αυτών κατά την ισορροπία φάσεων σε πίεση 400mbar. Από τα αποτελέσματα προκύπτει ότι η εισαγωγή του συνδιαλύτη στο σύστημα αιθανόλη-νερό επιφέρει αύξηση των σχετικών πτητικοτήτων, δηλαδή επιτυγχάνεται καλύτερος διαχωρισμός του μίγματος, καθώς ο συνδυαλύτης οδηγεί σε δέσμευση ορισμένης ποσότητας νερού, με αποτέλεσμα μικρότερη ποσότητα αυτού να μεταφέρεται στην ατμώδη φάση, εφόσον λόγω της πολύ χαμηλής τάσης ατμών του ο ΒΕΔ, μαζί με το δεσμευμένο νερό, παραμένουν στην υγρή φάση. Με τον τρόπο αυτό η αιθανόλη φτάνει καθαρότερη στην αέρια φάση. Σε όλες της περιπτώσεις, υπάρχει μετατόπιση του αζεοτροπικού σημείου σε μεγαλύτερες συγκεντρώσεις αιθανόλης, ακόμα και για την μικρότερη προσθήκη του ΒΕΔ όπου πραγματοποιήθηκαν πειράματα, δηλαδή 5%. Το φαινόμενο αυτό γίνεται πιο έντονο καθώς αυξάνεται η συγκέντρωση του συνδιαλύτη με αποτέλεσμα σε συγκεντρώσεις συνδιαλύτη περίπου 10% w/w να μην εντοπίζεται αζεοτροπικό σημείο. Συγκριτικά με άλλα ιοντικά υγρά και ΒΕΔ το ChCl:EG(1:2) φαίνεται να είναι ένας αρκετά ικανοποιητικός διαλύτης για το διαχωρισμό αιθανόλης-νερού, καθώς σε συγκέντρωση 10% ξεπερνά σε απόδοση τους περισσότερους διαλύτες, όπως για παράδειγμα το ChCl:Triethylene Glycol και άλλα ιοντικά υγρά και ΒΕΔ που παρουσιάζουν παρόμοια συμπεριφορά, αλλά υστερεί σε σχέση με διαλύτες που έχουν παρόμοια συμπεριφορά με το ιοντικό υγρό [1-butyl-3-metylimidazolium][Cl] ή απλώς [BMIM][Cl], βάσει της τιμής της σχετικής πτητικότητας σε υψηλές συγκεντρώσεις αιθανόλης. Επιπρόσθετα, διερευνήθηκε η δυνατότητα μοντελοποίησης τόσο των δυαδικών αλλά και των τριαδικών συστημάτων με χρήση των μοντέλων συντελεστή ενεργότητας UNIQUAC και NRTL. Μελετήθηκε εκτενώς, η δυνατότητα συσχέτισης των πειραματικών σημείων των δυαδικών συστημάτων για την πρόβλεψη της συμπεριφοράς του τριαδικού συστήματος, αλλά και η δυνατότητα συσχέτισης των πειραματικών αποτελεσμάτων του τριαδικού συστήματος για την εκτίμηση της συμπεριφοράς των αντίστοιχων δυαδικών. Αποδείχθηκε ότι και τα δυο μοντέλα, UNIQUAC και NRTL, περιγράφουν την ισορροπία φάσεων όλων των μελετώμενων συστημάτων με ικανοποιητική ακρίβεια. Πιο συγκεκριμένα τα συνολικά σφάλματα από τη συσχέτιση των παραμέτρων των δυαδικών συστημάτων δεν ξεπέρασαν το 1.2% όσον αφορά το μέσο ποσοστιαίο σφάλμα συσχέτισης της θερμοκρασίας ισορροπίας των δυαδικών μιγμάτων, ενώ ταυτόχρονα η πρόβλεψη της συμπεριφοράς του τριαδικού μίγματος με τις παραμέτρους αυτές δεν ξεπέρασε συνολικά το 5% ως προς την σχετική πτητικότητα. Επιπλέον, τα συνολικά μέσα σφάλματα από τη συσχέτιση των τριαδικών συστημάτων κυμάνθηκαν κάτω από 3.1% ως προς τον υπολογισμό της σχετικής πτητικότητας στα τριαδικά μίγματα, αλλά και στην εκτίμηση της θερμοκρασίας ισορροπίας των δυαδικών μιγμάτων το μέσο σφάλμα δεν υπερέβη το 2.7%.	el
heal.abstract	The main purpose of this diploma thesis is the experimental research and modeling of the behavior of the ethanol-water mixture, when the deep eutectic solvent ChCl:EG(1:2) is present. Deep eutectic solvents (DES) are recognized as a new category of solvents, similar to ionic liquids with the possibility to replace common organic solvents, in a variety of processes. DES’s are produced as a combination between a hydrogen bond acceptor (HBA) and a hydrogen bond donor (HBD) substance and they present similar physiochemical properties to ionic liquids, while surpassing them in some sections, such as the raw material cost and environmental friendliness. In most cases, at least one of the components of the DES is used at solid state. Indeed here, choline chloride (ChCl) is a solid, while ethylene glycol (EG) is used in a liquid form. In order to produce ChCl:EG(1:2), mixing the compounds in the given stochiometric ratio is enough, with the help of mild heating in a noble gas environment (through the use of nitrogen gas). As a part of this thesis, the DES ChCl:EG(1:2) is studied as a cosolvent in an extractive distillation process of the ethanol-water azeotropic mixture in atmospheric pressure. Hence, experimental vapor-liquid equilibrium calculations took place at constant pressure (1013.3 mbar) for the ternary mixture ethanol-water-ChCl:EG(1:2), starting from three different concentrations of the DES: 5%, 10% and 15% w/w. Also, alongside these calculations, experiments were also held between the binary mixtures of ethanol with ChCl:EG(1:2) and water with ChCl:EG(1:2) to study their behavior during a vapor-liquid equilibrium process. These experiments were held at constant pressure of 400mbar. The results of this investigation show that the introduction of the cosolvent in the ethanol-water system causes an increase to the relative volatility and thus a better separation occurs, as the cosolvent binds some of the water. Therefore, less amount of water is left to move to the vapor phase, due to the DES’s low vapor pressure. A displacement of the azeotropic point to a higher ethanol concentration is observed in all the cases studied, even in a minimum concentration of 5% DES. This phenomenon becomes more visible as the concentration of the cosolvent increases and the break of the azeotrope is observed close to when the cosolvent’s concentration is 10% w/w. In comparison with other ionic liquids and DESs, ChCl:EG(1:2) seems to be working satisfactory for the separation of the ethanol-water system, as it leads to a higher value of relative volatility than many other solvents, such as ChCl:Triethylene Glycol and other ionic liquids and DESs, when the concentration of the solvent in the mixture is 10%, whereas [1-butyl-3-metylimidazolium][Cl] or [BMIM][Cl] and other solvents which behave similarly to this solvent, seem to behave better than ChCl:EG(1:2). Furthermore, an investigation was held to examine the possibility of the thermodynamic modelling not only of the binary, but also of the ternary mixtures of this study, using the activity coefficient models, UNIQUAC and NRTL. Research was carried out to correlate both the results of the binary and the ternary mixtures with the above models and extract parameters which could describe the behavior of the ternary mixture from the binary parameters and vice versa. As an outcome of this study, it was proved that both models can be used to describe good enough the equilibrium between all systems of this study. To be more specific, the average error from the correlation of the equilibrium temperature of the binary mixtures was always under 1.2%, while also the use of the parameters from the correlation of the binary mixture experimental results led to an average error of less than 5% for the prediction of the ternary mixture’s relative volatility. In addition, the average errors from the correlation of the ternary system experimental results were found less than 3.1% regarding the evaluation of the relative volatility and the error from the prediction of the equilibrium temperatures of the binary systems did not exceed 2.7%.	en
heal.advisorName	Βουτσάς, Επαμεινώνδας	el
heal.committeeMemberName	Βουτσάς, Επαμεινώνδας	el
heal.committeeMemberName	Μαγουλάς, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Κέκος, Δημήτριος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Ανάλυσης, Σχεδιασμού και Ανάπτυξης Διεργασιών και Συστημάτων (ΙΙ). Εργαστήριο Θερμοδυναμικής και Φαινομένων Μεταφοράς	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	100 σ.
heal.fullTextAvailability	true