Propriedades e comportamento de soluções de hidrocarbonetos pesados a baixas temperaturas: medição e modelação

Abstract

Fruto da constante evolução da ciência e da tecnologia, referências ao uso de novos fluídos surgem a um ritmo cada vez maior. Novos refrigerantes, mais “amigos” do ambiente, líquidos iónicos, uma nova classe de solventes ou perfluorocarbonetos, moléculas capazes de dissolver suficiente oxigénio para poderem ser utilizadas como substitutas do sangue ou como fonte de oxigénio em processos biotecnológicos ou ainda como surfactantes em processos de extracção supercrítica com dióxido de carbono, são apenas alguns dos novos exemplos. Para o design correcto de produtos e processos envolvendo estes novos fluídos, o conhecimento de algumas das suas propriedades termofísicas é fundamental. Embora a medição experimental seja o procedimento mais rigoroso para a determinação de qualquer propriedade termofísica, muitas das vezes, estas medições são morosas e caras. As gamas de temperatura, pressão e composição de interesse podem ainda ser tais que tornam as medições experimentais inexequíveis sendo a solução mais conveniente a utilização de um modelo teórico, empírico ou misto que devolve o valor da propriedade termofísica nas condições desejadas com uma razoável exactidão. O contributo desta dissertação de doutoramento é maioritariamente para o estudo de moléculas lineares de diferentes tamanhos de cadeia, com um especial ênfase para misturas assimétricas. A família dos n-alcanos por apresentar um imenso interesse industrial a nível da indústria petrolífera e petroquímica, quer porque as suas propriedades permitem a sua utilização como materiais termoactivos em isolamento ou armazenamento de energia, quer ainda por ser uma família modelo para tantas outras moléculas, como surfactantes, ácidos gordos ou polímeros, foi seleccionada para esse efeito. Várias medições foram realizadas em sistemas cuja escassez ou inexistência de dados experimentais foi verificada. Tensões superficiais, tensões interfaciais, densidades e viscosidades da fase líquida foram determinadas para um conjunto significativo de fluídos em gamas alargadas de temperatura e composição, tendo sido dada especial atenção a sistemas assimétricos de n-alcanos e a algumas fracções de petróleo, representativas de sistemas reais. Diferentes metodologias foram adoptadas para a modelação dos resultados obtidos, com o cuidado de avaliar alguns dos modelos termodinâmicos que constituem o estado-da-arte, tendo sido demonstrado que um novo modelo baseado no Princípio dos Estados Correspondentes introduz melhorias consideráveis na modelação quando comparado com modelos convencionais.

As a result of the continuous scientific and technological developments, several new fluids of interest are showing up every day. New refrigerants, more environmentally friendly, ionic liquids, a new class of solvents or perfluoroalkanes, molecules able to dissolve enough oxygen in order to be used as blood substitutes or oxygen carrier agents in biotechnological processes or as surfactants in supercritical carbon dioxide extraction, are a few examples. For the correct product and process design of these new fluids, knowledge of some thermophysical properties are required. Although the experimental measurement is the most rigorous procedure for evaluating any thermophysical property, frequently these are expensive and time-consuming. The temperature, pressure and composition ranges of interest may also be so broad that the measurements may be unfeasible, with a common solution being the use of a theoretical, empirical or semi-empirical model that returns the thermophysical property at the desired conditions with a considerable accuracy. This thesis contributes to the study of various thermophysical properties of nonpolar molecules of different chain lengths, with a special emphasis on asymmetric mixtures. The n-alkane family was chosen for that purpose since it has a vast industrial interest, starting from the petrochemical industry to termoactive phase change materials, for energy storage and release. It can also be regarded as a reference family for studying other molecules such as surfactants, fatty acids or polymers. A number of experimental measurements were performed in systems were data deficiency was found. Properties such as vapor-liquid and liquidliquid interfacial tensions and liquid phase densities and viscosities were measured for a significant number of fluids in broad ranges of temperature and composition. A special emphasis was put on asymmetric n-alkane mixtures and some petroleum fractions, representative of real systems. Several methodologies were adopted for modeling the obtained results, and for that purpose some state-of-the-art thermodynamic models were evaluated. As will be demonstrated an improved Corresponding States model enhanced considerably model accuracy.