Modelling the carbon dioxide solubility with CPA EOS

Abstract

As emissões de dióxido de carbono têm hoje uma grande importância na indústria de engenharia química, pelo que a sua captura e armazenamento são uma importante área de investigação. Os líquidos iónicos têm sido estudados como solventes (“green solvents”) para a separação de gases e captura de dióxido de carbono. Os líquidos iónicos são uma nova classe de solventes orgânicos, que devido aos seus catiões orgânicos assimétricos e aos aniões inorgânicos, não podem constituir uma estrutura cristalina, permanecendo assim no estado líquido à temperatura ambiente ou temperaturas próximas desta. Estes compostos apresentam uma vasta gama de propriedades interessantes, tais como a alta estabilidade térmica; o estado líquido numa grande amplitude térmica; a boa solvatação, tanto para compostos polares como não polares; e uma das mais interessantes, colocando-os como uma alternativa viável para substituir os solventes orgânicos voláteis, a sua pressão de vapor desprezável. Outra grande vantagem destes solventes "neotéricos" é a possibilidade de modelar as suas propriedades, através da infinita combinação de catiões e aniões, permitindo desenhar os líquidos iónicos de acordo com os objectivos específicos de uma operação particular melhorando o seu desempenho. Já foram aplicadas várias equações de estado para descrever a solubilidade do dióxido de carbono nos líquidos iónicos (equilíbrio líquidovapor), tais como a PC-SAFT, soft-SAFT, Peng-Robinson, Krichevsky- Kasarnovsky, entre outras equações de estado. Neste trabalho, dados experimentais para o equilíbrio líquido-vapor do sistema de dióxido de carbono + 1-alquil-3-metilimidazólio bis(trifluorometilsulfonil)imida foram modelados pela primeira vez com a equação do estado Cubic Plus Association (CPA EoS), em que os parâmetros da equação são obtidos através do ajuste de dados experimentais de pressão de vapor e densidade. Com o objectivo de estudar a solubilidade do dióxido de carbono noutros compostos, foram também medidos os equilíbrios líquidovapor dos sistemas dióxido de carbono + dissulfureto de carbono e dióxido de carbono + tetraclorometano, numa célula de alta pressão, e os dados experimentais obtidos foram igualmente modelados com a CPA EoS. A equação de estado CPA já demonstrou ser uma ferramenta termodinamicamente flexível tendo descrito correctamente o equilíbrio líquidovapor de misturas contendo componentes associativos e não associativos distribuídos por diferentes fases fluidas. Mostra-se que este modelo permite uma boa descrição dos dados experimentais disponíveis.

ABSTRACT: Carbon dioxide emissions have today a great importance in the chemical engineering industry, so its capture and storage are an important field of research. Ionic liquids have been studied as green solvents in gases separation and for carbon dioxide capture. Ionic liquids are a new class of organic solvents that due to their asymmetric organic cations and organic or inorganic anions cannot form an ordered crystal and therefore remain liquid at or near room temperature. These compounds present a wide range of interesting properties, such as high thermal stability, large liquid temperature range, good solvation both for polar and non polar compounds, and one of the most interesting, putting them as a viable and ambient friendly alternative to replace the volatile organic solvents, is their negligible vapor pressure. Other major advantage of these “neoteric” solvents is the possibility of fine tune their properties through the endless combination of cations and anions. This designer characteristic allows one to build task-specific ionic liquids that have an enhanced performance for specific operations. Several equations of state have been applied to describe the carbon dioxide solubility in ionic liquids (vapor-liquid equilibrium) such PC-SAFT, soft- SAFT, Peng-Robinson EoS, Krichevsky–Kasarnovsky EoS, among others. In this work, the experimental vapour-liquid equilibrium data of the systems carbon dioxide + 1-alkyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl) imide ionic liquids were modelled for the first time with the Cubic plus Association Equation of State (CPA EoS) with the EOS parameters fitted to vapor pressure and densities of the ionic liquids. In addition, it was used a high pressure cell to measure the vapour-liquid equilibrium of the binary systems carbon dioxide + carbon disulphide and carbon dioxide + carbon tetrachloride and the experimental data obtained were also modelled with the CPA EoS. The CPA EoS had already demonstrated to be a flexible thermodynamic tool for correctly modelling the phase equilibrium of mixtures containing both associative and non-associative components distributed by different fluid phases. It is shown that this model allows for a very good description of the experimental data available.