Experimental measurements and modelling of thermophysical properties of glycols

Abstract

Apesar da sua grande importância e necessidade nos diferentes setores industriais, verifica-se ainda um défice significativo de dados fidedignos relativos às propriedades termofísicas de glicóis para uma ampla gama de temperaturas e pressões. Este trabalho tem como objetivo superar essa lacuna, avaliando as propriedades termofísicas de glicóis e glymes. Para tal, as medições experimentais de densidade, viscosidade e do índice de refração foram realizados na gama de temperaturas (288,15-373,15) K e à pressão atmosférica. Relativamente ao conjunto de compostos estudados, juntamente com os dados disponíveis na literatura, os dados obtidos experimentalmente permitiram avaliar o efeito da estrutura molecular dos compostos nas propriedades em estudo, nomeadamente, o tamanho da cadeia, o número de grupos funcionais e o efeito da substituição dos grupos terminais. A segunda parte do trabalho focou-se na otimização de modelos teóricos, com a finalidade de descrever as propriedades termofísicas da família de compostos em estudo. A Equação de Estado do tipo SAFT, nomeadamente a soft-SAFT EoS, foi aplicada na descrição dos dados experimentais. Novos parâmetros moleculares foram encontrados, ajustando a pressão de vapor e densidade de cada composto aos dados propostos pelo soft-SAFT. Para além de o modelo possibilitar descrever os dados obtidos experimentalmente, permite ainda estimar/prever outras propriedades, como viscosidade, capacidade calorífica e, com baixos desvios. Posteriormente, foi utilizada uma nova abordagem de ajuste dos parâmetros moleculares, tendo-se recorrido a um vasto conjunto de propriedades, de modo a garantir uma melhor descrição de sistemas mais complexos. Finalmente, reconhecendo a importância dos métodos preditivos simples, realizou-se uma estimativa das propriedades termofísicas, recorrendo a um modelo de contribuição de grupos, proposto por Ruzika e colaboradores, bem como uma avaliação da sua aplicabilidade para os glicóis em estudo. Em suma, a presente tese permitiu dar resposta à procura contínua das propriedades termofísicas dos compostos em estudo, fornecendo simultaneamente, novos conhecimentos acerca do impacto da estrutura molecular dos mesmos nas suas propriedades termofísicas.

Despite the interest from different industrial sectors, there is still a lack of quality data for glycol’s thermophysical properties for a wide range of temperatures and pressures. This work aims at overcoming that requirement by evaluating the thermophysical proprieties of glycols and glymes. Thus, experimental measurements of density, viscosity and refractive index were carried out in the (288.15-373.15) K temperature range and at atmospheric pressure. The set of compounds studied and the data measured, alongside that available in the literature, allowed to evaluate the effect of the compounds molecular structure, like chain size, number of functional groups and the effect of changing the terminal groups, on the properties studied. On a second part of the work the optimization of theoretical models, to describe this family of compounds, was persuaded. A SAFT-type Equation of State, namely soft-SAFT EoS, was employed on the description of the experimental data. New molecular parameters, fitted against the compound’s vapour pressure, density and heat capacity, are here proposed allowing soft-SAFT not only to describe the experimental data measured but predict other properties, like viscosity, heat capacity and high pressure densities with low deviations. A novel approach of fitting the molecular parameters against a wide set of properties assures a better description for more complex systems. Recognizing the importance of simple methods, on the estimation of thermophysical properties, a group contribution model, proposed by Růžička and Domalski and by Zábranský and Růžička, was also evaluated for the glycol based compounds. In short, this thesis narrows the gap for the continuous demanding of thermophysical properties while provides new insights on the impact of the compound’s molecular structure on the thermophysical properties