Parametrization of equations of state : definition of a methodology applicable to SAFT models for pure species (with and without association term) and evaluation of their influence on model performances - Université de Lorraine Access content directly
Theses Year : 2022

Parametrization of equations of state : definition of a methodology applicable to SAFT models for pure species (with and without association term) and evaluation of their influence on model performances

Paramétrage des équations d'état : définition d'une méthodologie applicable aux modèles SAFT pour les corps purs (avec et sans terme d'association) et évaluation de leur influence sur les performances des modèles

Abstract

Thermodynamic models are at the heart of modeling tools in process engineering that provide, on the one hand, the description, both qualitative and quantitative, of phase equilibria of complex mixtures, and on the other hand, a measure of energetic properties (enthalpies, entropies, heat capacities) necessary to establish energy and exergy balances. This work is particularly interested in the equations of state from the statistical associating fluid theory (SAFT) applied to pure compounds. Our main objective is to propose universal and systematic parameterization methods for these models including, in particular, the association parameters which essentially reflect the influence that hydrogen bonds have on the thermodynamic properties of a pure fluid.Using one of the most popular variants of the SAFT family (the PC-SAFT model), we have investigated which experimental properties are most relevant to consider when regressing the pure body parameters (m,σ,ϵ/k) that are sufficient to describe the non-associated compounds. We have shown that only the saturating vapor pressure and the density of the liquid are found to be strictly necessary to obtain a reliable description of the thermodynamics of a non-associated pure body (i.e., its phase equilibrium properties and energy properties). This work has also produced a database of parameters for 1800 pure bodies, divided into 1252 non-associated species and 548 self-associated species (treated as non-associated species). Using this parameterization, we were able to accurately describe over 70% of all compounds, and of these, nearly 60% of the self-associated compounds were correctly represented.The influence of the association term on the performance of the equation of state was then studied for a family of strongly associated molecules: the linear alcohols. This allowed us to draw three major conclusions: 1) the association term significantly improves the efficiency of SAFT models for associated molecules; 2) in the event that the same association parameters are used for all compounds in the family, saturation vapor pressure and liquid density data are sufficient to estimate the association parameters and 3) if component-specific association parameters are chosen, derived property data must be included in the regression (e.g., liquid heat capacity).In a second part, we present a methodology for the evaluation of the performance of equations of state of mixtures in the development of which we participated, and its application to the UMR-PRU model.
Les modèles thermodynamiques sont au cœur des outils de modélisation en génie des procédés qui fournissent, d’une part, la description, tant qualitative que quantitative des équilibres de phase des mélanges complexes, et d’autres part, une mesure des propriétés énergétiques (enthalpies, entropies, capacités thermiques) nécessaires à l’établissement des bilans énergétique et exergétique. Ce travail s’intéresse en particulier aux équations d’état issues de la théorie statistique des fluides associés (SAFT) appliquées aux corps purs. Notre objectif principal est de proposer des méthodes de paramétrage universelles et systématiques de ces modèles incluant, en particulier, les paramètres d’association qui traduisent, pour l’essentiel, l’influence que les liaisons hydrogène présentes dans un fluide pur exercent sur ses propriétés thermodynamiques. En utilisant une des variantes les plus populaires de la famille SAFT (le modèle PC-SAFT), nous avons cherché quelles sont les propriétés expérimentales les plus pertinentes à considérer pour régresser les paramètres de corps purs (m,σ,ϵ/k) qui suffisent à décrire les composés non associés. Nous avons montré que seules la pression de vapeur saturante et la densité du liquide s’avèrent strictement nécessaires pour obtenir une description fiable de la thermodynamique d’un corps pur non associé (i.e., de ses propriétés d’équilibre de phases et de ses propriétés énergétiques). Ce travail a produit également une base de données de paramètres pour 1800 corps purs, répartis en 1252 espèces non associées et 548 espèces auto-associées (traitées comme des espèces non-associées). En utilisant ce paramétrage, nous avons pu décrire avec précision plus de 70 % de tous les composés, et parmi eux, près de 60 % des composés auto-associés ont été correctement représentés. L'influence du terme d'association sur les performances de l’équation d’état a ensuite été étudiée pour une famille de molécules fortement associées : les alcools linéaires. Ceci nous a permis de tirer trois conclusions majeures : 1) le terme d'association améliore nettement l’efficacité des modèles SAFT dans le cas des molécules associées ; 2) dans l’éventualité où les mêmes paramètres d'association sont utilisés pour l’ensemble des composés de la famille, des données de pression de vapeur saturante et de densité du liquide suffisent pour estimer les paramètres d’association et 3) si l’on opte pour des paramètres d’association spécifiques à chaque constituant, des données de propriétés dérivées doivent être incluses dans la régression (par exemple, la capacité thermique du liquide). Dans une seconde partie, nous exposons une méthodologie pour l’évaluation des performances d’équations d’état des mélanges au développement duquel nous avons participé, ainsi que son application au modèle UMR-PRU.
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tel-03769078 , version 1 (05-09-2022)

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  • HAL Id : tel-03769078 , version 1

Cite

Nicolás Ramírez-Vélez. Parametrization of equations of state : definition of a methodology applicable to SAFT models for pure species (with and without association term) and evaluation of their influence on model performances. Chemical and Process Engineering. Université de Lorraine, 2022. English. ⟨NNT : 2022LORR0020⟩. ⟨tel-03769078⟩
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