Θερμοδυναμική μοντελοποίηση διαλυτότητας όξινων αερίων σε ιοντικά υγρά

Κλεισιώτη, Ευαγγελία; Kleisioti, Evangelia

dc.contributor.author	Κλεισιώτη, Ευαγγελία	el
dc.contributor.author	Kleisioti, Evangelia	en
dc.date.accessioned	2019-07-11T09:48:19Z
dc.date.available	2019-07-11T09:48:19Z
dc.date.issued	2019-07-11
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/49046
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.16769
dc.rights	Default License
dc.subject	Ιοντικά υγρά	el
dc.subject	Γλύκανση φυσικού αερίου	el
dc.subject	Διοξείδιο του άνθρακα	el
dc.subject	Θερμοδυναμικό μοντέλο	el
dc.subject	Φυσικό αέριο	el
dc.title	Θερμοδυναμική μοντελοποίηση διαλυτότητας όξινων αερίων σε ιοντικά υγρά	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Εφαρμοσμένη θερμοδυναμική	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2019-02
heal.abstract	Οι εκπομπές του διοξειδίου του άνθρακα (CO2) από ανθρωπογενείς δραστηριότητες είναι από τους κυριότερους λόγους της υπερθέρμανσης του πλανήτη. Η κύρια τεχνολογία δέσμευσης διοξειδίου του άνθρακα από αέρια μίγματα αφορά τη χρήση αμινών, η οποία όμως παρουσιάζει μειονεκτήματα. Σε αυτά συμπεριλαμβάνονται η τοξικότητα των αμινών, η μεγάλη πτητικότητά τους και το ενεργειακά κοστοβόρο στάδιο αναγέννησής τους. Συνεπώς, υπάρχει η ανάγκη για εύρεση ενός νέου, οικονομικού και φιλικού προς το περιβάλλον διαλύτη. Τα ιοντικά υγρά (ΙΥ) είναι άλατα με σημεία τήξεως μικρότερα των 100 °C. Αποτελούνται από μεγάλα, οργανικά κατιόντα και οργανικά ή ανόργανα ανιόντα και μπορούν να προκύψουν με διάφορους συνδυασμούς αυτών. Έτσι, καθίσταται δυνατός ο σχεδιασμός τους με τις επιθυμητές για κάθε εφαρμογή ιδιότητες, μέσω επιλογής των κατάλληλων συνδυασμών ανιόντος-κατιόντος. Το πλεονέκτημα αυτό, σε συνδυασμό με τις σχεδόν μηδενικές τάσεις ατμών τους, τη χημική και θερμική σταθερότητά τους και το μεγάλο εύρος θερμοκρασιών, στο οποίο βρίσκονται σε υγρή κατάσταση, τα καθιστά καλούς πιθανούς διαλύτες σε διεργασίες απορρόφησης διοξειδίου του άνθρακα, με προοπτική αντικατάστασης των συμβατικών. Επιπλέον, λόγω των αμελητέων απωλειών, μπορούν να χαρακτηριστούν ως «πράσινοι» διαλύτες, ενώ παρουσιάζουν και αξιόλογα ποσοστά ανάκτησης και επαναχρησιμοποίησης. Η θερμοδυναμική μοντελοποίηση των συστημάτων ιοντικών υγρών με CO2 με σκοπό την ακριβή περιγραφή της ισορροπίας φάσεων είναι αναγκαία για τον επιτυχή σχεδιασμό διεργασιών απορρόφησης. Η ίδια αποτελεί πρόκληση λόγω της πολυπλοκότητας των μορίων των ΙΥ και της έλλειψης πειραματικών δεδομένων των κρίσιμων ιδιοτήτων τους, καθώς τα ΙΥ αποσυντίθενται προσεγγίζοντας το κανονικό σημείο βρασμού τους. Επιπλέον πρόβλημα αποτελεί ο περιορισμένος αριθμός πειραματικών δεδομένων διαλυτότητας CO2, τα οποία σε πολλές περιπτώσεις αποκλίνουν για διαφορετικούς ερευνητές. Τέλος, ο τεράστιος αριθμός των πιθανών συνδυασμών ανιόντων/κατιόντων για τη σύνθεση ΙΥ καθιστά αδύνατο τον πειραματικό προσδιορισμό της διαλυτότητας και αναγκαία την ανάπτυξη μοντέλων ικανών να περιγράψουν με επιτυχία την ισορροπία φάσεων τους. Στόχος της παρούσας εργασίας αποτελεί η θερμοδυναμική μοντελοποίηση συστημάτων με διοξείδιο του άνθρακα και ιοντικά υγρά. Για το ακοπό αυτό, πραγματοποιήθηκε η επέκταση του θερμοδυναμικού μοντέλου UMR-PRU, που αναπτύχθηκε στο Εργαστήριο Θερμοδυναμικής και Φαινομένων Μεταφοράς, στην περιγραφή και πρόβλεψη διαλυτότητας CO2 σε 16 ιμιδαζολικά Ιοντικά Υγρά που συνδυάζουν διαφορετικά μήκη αλκαλικής αλυσίδας υποκαταστάτη του ιμιδαζολικού δακτυλίου με τα ανιόντα PF6, BF4, Τf2N. Το μοντέλο UMR-PRU, ουσιαστικά αποτελεί την καταστατική εξίσωση Peng-Robinson συνδυασμένη με το μοντέλο υπολογισμού συντελεστή ενεργότητας συνεισφοράς ομάδων UNIFAC μέσω των κανόνων ανάμιξης UMR. Αρχικά, πραγματοποιήθηκε βιβλιογραφική επισκόπηση των πειραματικών δεδομένων πυκνότητας ΙΥ και διαλυτότητας του CO2 σε ιοντικά υγρά και δημιουργήθηκε η αντίστοιχη βάση δεδομένων. Ακολούθησε υπολογισμός των κρίσιμων ιδιοτήτων, με απαίτηση να περιγράφουν ικανοποιητικά τις ιδιότητες των καθαρών ΙΥ. Ο προσδιορισμός των νέων τιμών των κρίσιμων ιδιοτήτων έγινε με προσαρμογή τους σε πειραματικά δεδομένα πυκνότητας μέσω της καταστατικής εξίσωσης Peng-Robinson με ικανοποιητικά μέσα απόλυτα σχετικά σφάλματα για όλα τα υπό μελέτη ΙΥ. Η πρόρρηση των τάσεων ατμών των νέων κρίσιμων ιδιοτήτων συγκρίθηκε με αυτή βιβλιογραφικών ως προς την τάξη μεγέθους, λόγω έλλειψης πειραματικών μετρήσεων τάσεων ατμών, καθώς μέχρι πρόσφατα αυτά θεωρούνταν μη πτητικά. Διαπιστώθηκε πως οι νέες κρίσιμες ιδιότητες προβλέπουν, ταυτόχρονα χαμηλότερες τάσεις ατμών για 5 τις περισσότερες περιπτώσεις με μικρότερο σφάλμα στον υπολογισμό της πυκνότητας σε σχέση με τις βιβλιογραφικές. Η περιγραφή της ισορροπίας φάσεων ατμού-υγρού δυαδικών μιγμάτων με το CO2 πραγματοποιήθηκε στη συνέχεια με το μοντέλο UMR-PRU. Το μοντέλο UMR-PRU συμπεριλαμβάνει και τη δομή του μορίου στους υπολογισμούς του, μέσω της χρήσης των ομάδων της UNIFAC, αλλά αρχικά κάθε ΙΥ αντιμετωπίσθηκε σαν μια ομάδα και έλαβε χώρα η προσαρμογή των παραμέτρων του μοντέλου σε πειραματικά δεδομένα διαλυτότητας του CO2. Kατά τη διαδικασία της μοντελοποίησης διαπιστώθηκε η μεγάλη επίδραση των παραμέτρων όγκου (R) και επιφάνειας (Q) του μοντέλου UNIFAC, κυρίως για τα συστήματα σε υψηλές πιέσεις, με συνέπεια τον επαναπροσδιορισμό τους, αρχικά για το συνολικό μόριο των ΙΥ, οδηγώντας σε ικανοποιητικά αποτελέσματα πρόρρησης. Τα αποτελέσματα του μοντέλου UMR-PRU συγκρίθηκαν για τα περισσότερα συστήματα με αυτά της PR συνδυασμένης με του κανόνες ανάμειξης van der Waals ενός ρευστού και επιβεβαιώθηκε η αξιοπιστία του μοντέλου. Στη συνέχεια, έγινε μια πρώτη προσπάθεια να διαχωριστούν τα μόρια των ΙΥ με ανιόν το PF6 σε ομάδες σύμφωνα με τη UNIFAC, θεωρώντας σαν μία ομάδα το ιμιδαζόλιο και σαν μία δεύτερη το ανιόν PF6. Κατά αυτό τον τρόπο, με προσαρμογή στα πειραματικά δεδομένα διαλυτότητας του CO2 στα ΙΥ με PF6 προσδιορίστηκαν οι παράμετροι αλληλεπίδρασης μεταξύ των ομάδων και οι παράμετροι R και Q για τις ομάδες του ιμιδαζολίου και του ανιόντος. Τα αποτελέσματα της συσχέτισης για υψηλές πιέσεις ήταν ικανοποιητικά, ενώ για μέσες πιέσεις σε εύρος 7-35 bar η προσαρμογή οδήγησε σε μεγαλύτερα σφάλματα.	el
heal.advisorName	Βουτσάς, Επαμεινώνδας	el
heal.committeeMemberName	Μαγουλάς, Κωστής	el
heal.committeeMemberName	Σταθερόπουλος, Μιλτιάδης	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	114 σ.	el
heal.fullTextAvailability	true