Application of SAFT-AC Model to Refrigerant Systems. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (Thesis of g202110530) Thesis File.pdf - Published Version Restricted to Repository staff only until 10 January 2025. Download (1MB)

Arabic Abstract

تم تطبيق نموذج معامل النشاط الجزيئي الذي يعتمد على نظرية ربط السوائل الإحصائية (SAFT-AC) للتنبؤ بتوازن البخار والسائل (VLE)، وتوازن السائل الصلب (SLE)، والتوتر السطحي لمخاليط التبريد الثنائية. بالمقارنة مع نماذج معامل النشاط التقليدية، فإن SAFT-AC قادر على الحساب الواضح لتفاعلات (ارتباطات) الروابط القطبية والهيدروجينية المتعددة بين الجزيئات. يتوافق النموذج مع مجموعة معادلات الحالة، وهي في هذه الحالة تتمثل في السلسلة القطبية والمضطربة لـ SAFT، ولكن تتم الحسابات بمعدل أسرع بكثير. يتم استخدام النموذج بشكل كامل للتنبؤ بقابلية ذوبان الهيدروكربونات والهيدروفلوروليفينات (HFOs) في مواد التشحيم التجارية من البوليول إستر وVLE للهيدروفلوروكربون (HFC) وHFO التي تحتوي على مخاليط ثنائية دون الحاجة إلى أي معلمات تعديل. تم أيضًا توسيع تطبيق SAFT-AC للتنبؤ بالتوتر السطحي لأنظمة التبريد قيد النظر باستخدام طريقة بتلر. يتم أيضًا فحص قابلية ذوبان الثلج الجاف (ثاني أكسيد الكربون الصلب) في مذيبات مركبات الكربون الهيدروفلورية ,لدراسة السلوك اليوكتيني في التطبيقات التي تتطلب برودة عالية. وبشكل عام، وجد أن النتائج تتفق بشكل ممتاز مع البيانات التجريبية عبر مجموعة واسعة من الظروف. من خلال الاستفادة من الطبيعة الجزيئية لنموذج معامل النشاط، تم إجراء مناقشة حول تأثير التركيب الجزيئي لغاز التبريد على سلوك الطور لكل من الأنظمة التي تم النظر فيها في هذا العمل. تم استخدام شكل السلسلة القطبية والمضطربة لنظرية الموائع المرتبطة الإحصائية (Polar PC-SAFT) ونموذج الطاقة الحرة الزائدة شبه الكيميائية (UNIQUAC) لنموذج Gibbs لنمذجة ال VLE والخصائص الزائدة لمخاليط الذوبان. تم اختيار مخاليط الكلوروفورم والهالوثان مع المذيبات المؤكسدة والتي تم العثور على بيانات جيدة عنها في الابحاث السابقة. يتميز سلوك الطور لهذه الأنظمة بانحراف سلبي قوي عن قانون راولت بسبب الارتباط المتقاطع بين أزواج الإلكترونات الوحيدة للمذيبات المؤكسدة وجزيء الهالوكين المانح لرابطة الهيدروجين. وينعكس تأثير هذا الارتباط المتبادل على معاملات نشاط المذيبات المؤكسدة في الكلوروفورم والهالوثان بتركيزات منخفضة. أظهرت النتائج أن UNIQUAC لم يكن قادرًا على التقاط الوظيفة غير الخطية للغاية لمنحنيات معامل النشاط بشكل صحيح مما أدى إلى تقديرات التخفيف اللانهائية الضعيفة بشكل عام. علاوة على ذلك، لم يكن النموذج قادرًا على ملاءمة VLE والمحتوى الحراري الزائد للعديد من هذه الأنظمة بدقة في نفس الوقت. على العكس من ذلك، ومن خلال النمذجة الواضحة للارتباط باستخدام نظرية الاضطراب الديناميكي الحراري من الدرجة الأولى لـ Wertheim (TPT1)، تمكنت Polar PC-SAFT من التقاط توزيع روابط الهيدروجين الموجودة في هذه الأنظمة بشكل جيد مما أدى إلى تنبؤ جيد لكل من VLE والفائض. علاوة على ذلك، فإن التماثل وعدم التماثل الموجود في المحتوى الحراري الزائد للمخاليط التي تشكل مجمعات 1:1 و1:2، على التوالي، تم إعادة إنتاجه بنجاح بواسطة النموذج الجزيئي.

English Abstract

A molecular activity coefficient model that is based on the statistical associating fluid theory (SAFT-AC) is applied to predict the vapor-liquid equilibria (VLE), solid-liquid equilibria (SLE), and surface tension of binary refrigerant mixtures. In comparison to traditional activity coefficient models, SAFT-AC is able to explicitly account for multiple polar and hydrogen bonding (association) interactions among molecules. The model is consistent with the bulk equations of state, in this case the polar and perturbed chain form of SAFT, but calculations are done at a significantly faster rate. The model is used to fully predict the solubility of hydrocarbons and hydrofluoroolefins (HFOs) in commercial polyol ester lubricants and the VLE of hydrofluorocarbon (HFC) and HFO containing binary mixtures without the need of any adjustable parameters. The application of SAFT-AC is also extended to predict the interfacial tension of refrigerant systems under consideration using Butler’s method. The solubility of dry ice (solid carbon dioxide) in HFC solvents is also examined to study the eutectic behaviour at cryogenic applications. Overall, results were found to be in excellent agreement with experimental data across a wide range of conditions. Taking advantage of the molecular nature of the activity coefficient model, a discussion on the effect of refrigerant molecular structure on the phase behaviour was made for each of the systems considered in this work. The polar and perturbed chain form of statistical associating fluid theory (Polar PC-SAFT) and the universal quasi-chemical (UNIQUAC) excess Gibbs free energy model were used to model the VLE and excess properties of solvating mixtures. Mixtures of chloroform and halothane with oxygenated solvents were selected for which good quality data were found in the literature. The phase behavior of these systems is characterized by a strong negative deviation from Raoult’s law due to cross-association between the oxygenated solvents’ lone pairs of electrons and the hydrogen bond donor haloalkane molecule. The impact of such cross-association is reflected on the activity coefficients of oxygenated solvents in chloroform and halothane at low concentrations. Results show that UNIQUAC was unable to properly capture the highly non-linear function of the activity coefficient curves which resulted in overall poor infinite dilution estimates. Moreover, the model was unable to simultaneously fit the VLE and excess enthalpy for many of these systems accurately. On the contrary, and through the explicit modeling of association using Wertheim’s first order thermodynamic perturbation theory (TPT1), Polar PC-SAFT was able to capture well the distribution of hydrogen bonds found in these systems which resulted in good prediction of both VLE and excess properties. Furthermore, the symmetry and asymmetry found in the excess enthalpy of mixtures forming 1:1 and 1:2 complexes, respectively, was successfully reproduced by the molecular model.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Chemical Engineering
Department:	College of Chemicals and Materials > Chemical Engineering
Committee Advisor:	Ahmed, Wael
Committee Members:	Hassan, Umer Zahid and Al-Khater, Mohammed Fahad and Alsaifi, Nayef Mesnad and Mehmood Ahmed, Usama Ahmed
Depositing User:	AHSAN KAMIL (g202110530)
Date Deposited:	15 Jan 2024 08:24
Last Modified:	15 Jan 2024 08:24
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/142776