22408

مدلسازي ترموديناميكي حلاليت دي اكسيد كربن در برخي الكتروليت هاي قوي با استفاده از معادله حالت Electrolyte SAFT Huang & Radosz

كارشناسي ارشد

ترموسينتيك و كاتاليست

1399/4/25

دكتر فيضي

مهندسي شيمي، نفت و گاز

يكي از متداولترين گازهايي كه قابليت انحلال در محلولهاي الكتروليتي را دارد، گاز دي اكسيدكربن است. در اين تحقيق به مدلسازي ترموديناميكي حلاليت دي اكسيدكربن در برخي محلولهاي الكتروليت قوي حاوي يك و مخلوط دو نمك پرداخته شده و با مقادير تجربي حلاليت دي اكسيد كربن مقايسه شده است. محلولهاي الكتروليتي ناشي از انحلال يك يا چند نوع نمك در يك حلال يا چند حلال هستند، كه يونهاي نمكها تفكيك شده و محلول الكتروليت را تشكيل ميدهند. در اين تحقيق از معادله حالت گسترش داده شده Electrolyte SAFT Huang & Radosz كه از افزودن ترم تقريب كرويت متوسط ( MSA ( به معادله حالت SAFT Huang & Radosz به دست آمده است، استفاده شده است. در گام نخست با استفاده ازمعادله حالت SAFT Huang & Radosz براي سيستم هاي حاوي جزء خالص، به بررسي دانسيته و فشار بخار دي اكسيد كربن و آب پرداخته شد. نتيجه حاصل از مدلسازي دانسيته و فشار بخار براي سيستم حاوي دي اكسيد كربن با انحراف ميانگين مطلق نسبت به داده هاي تجربي 84 / 0 و 64 / 2 % محاسبه شد. در گام بعدي به كمك همين مدل، انحراف ميانگين مطلق محاسبه دانسيته و فشار بخار براي سيستم حاوي آب برابر با 12 / 3 و 23 / 1 % محسبه شد. در گام بعدي به كمك معادله SAFT Huang & Radosz براي سيستم هاي بيش از يك جزء، به بررسي حلاليت دي اكسيد كربن در سيستم حاوي آب- دي اكسيد كربن پرداخته شد. پس از اطمينان از نتايج به دست آمده از اين معادله حالت با اضافه كردن ترم تقريب متوسط كرويت به اين معادله حالت به مدلسازي محلولهاي آبي الكتروليت پرداخته شد. سپس، از اين معادله حالت در مدلسازي )محاسبه( فشارهاي تعادلي حلاليت دي اكسيد كربن برحسب كسر مولي دي اكسيد كربن ) حلاليت دي اكسيد كربن( در برخي محلولهاي الكتروليت با حلال آب حاوي نمكهاي سديم كلريد، پتاسيم كلريد، كلسيم كلريد، سديم سولفات و پتاسيم سولفات و همچنين الكتروليت آبي حاوي مخلوط نمكهاي دوتايي سديم كلريد پتاسيم كلريد، سديم كلريد كلسيم كلريد و پتاسيم كلريد- - - كلسيم كلريد استفاده شده است. در بخش مدلسازي انحراف ميانگين مطلق فشارهاي تعادلي حلاليت دي اكسيد كربن در الكتروليت حاوي سديم كلريد 10 درصد وزني و در دماي 15 / 318 كلوين و در محدوده فشارهاي تجربي 9 / 40 تا 3 / 158 بار برابر با 11 / 3 درصد بدست آمد. در ادامه به مدلسازي فشارهاي تعادلي حلاليت دي اكسيد كربن در الكتروليت هاي حاوي سديم كلريد 25 / 0 ، 50 / 0 و 00 / 1 مولال در محدوده دمايي 293 تا 353 كلوين و محدوده فشارهاي تجربي 2 / 10 تا 3 / 125 بار و كسر مولي هاي دي اكسيد كربن 007 / 0 ، 012 / 0 و 017 / 0 محاسبه شد. پس از آن فشارهاي تعادلي حلاليت دي اكسيد كربن در الكتروليت حاوي پتاسيم كلريد 10 و درصد وزني در دماي 15 / 318 كلوين و محدوده فشارهاي تعادلي تجربي 5 / 41 تا 9 / 139 بار مدلسازي و انحراف ميانگين مطلق 96 / 3 درصد بدست آمد. در گام بعدي، به محاسبه فشارهاي تعادلي حلاليت در الكتروليت حاوي كلسيم كلريد 10 درصد وزني و دماي 15 / 318 كلوين پرداخته و انحراف ميانگين مطلق برابر با 09 / 3 درصد بدست آمد. در بخش بعد، محاسبه فشارهاي تعادلي حلاليت دي اكسيد كربن حاوي سديم سولفات 011 / 1 مولال و دماي 15 / 353 كلوين انجام شد و انحراف ميانگين مطلق فشارهاي محاسبه شده نسبت به داده هاي تجربي برابر با 46 / 10 درصد بدست آمد. بعلاوه به مدلسازي حلاليت دي اكسيد كربن در مقابل حلاليت پتاسيم سولفات پرداخته شد. انحراف ميانگين مطلق حلاليت دي اكسيد كربن نسبت به داده هاي تجربي در دماي 15 / 298 كلوين و فشار 01 / 1 بار برابر با 0007557 / 0 درصد بدست آمد. در انتها هم به مدلسازي فشارهاي تعادلي حلاليت دي اكسيد كربن در الكتروليت هاي حاوي مخلوط نمك هاي سديم كلريد پتاسيم كلريد، سديم كلريد كلسيم كلريد و پتاسيم كلريد با غلظت - - 10 درصد وزني از هر كدام از اين نمك ها و در دماي 15 / 318 كلوين پرداخته شد. انحراف ميانگين مطلق فشارهاي تعادلي حلاليت محاسبه شده توسط معادله حالت Electrolyte SAFT Huang & Radoz نسبت به داده هاي تجربي برابر با 29 / 13 ، 86 / 14 و 87 / 12 درصد بدست آمد. واژههاي كليدي: محلول الكتروليت، حلاليت دياكسيد كربن، مدلسازي ترموديناميكي، معادله حالت e_SAFT Huang&Radosz

1399/06/17

Thermodynamic Modeling Of CO2 Solubility in electrolyte solutionby Electrolyte SAFT‌Huang & Radosz EOS

7/15/2020 12:00:00 AM

One of the most common gases which has the capability of dissolving in electrolyte solutions is CO2. In this thesis, the CO2 solubility in some strong electrolyte solutions has been scrutinized and comparison with experimental solubility data from aqueous solutions containing single and mixed salts have been made. Generally, electrolyte solutions are formed as a result of solving one or more salts in one or more solvents. Subsequently, Salt dissociates partially or completely and electrolyte solution is formed. In this investigation, Electrolyte SAFT Huang & Radosz EOS which has been extended from SAFT Huang& Radosz by adding Mean Spherical Approximation (MSA), are applied to model CO2 Solubility in electrolytes. In the first step, by using SAFT Huang & Radosz, used for systems with pure component, density and vapor pressure of CO2 are calculated. The Equation of state calculates the density and vapor pressure with average absolute deviations of %Δ𝜌=0.84 𝑎𝑛𝑑 % Δ𝑃𝑆𝑎𝑡=2.64 . In the next stop, The EOS calculates density and vapor pressure of H2O with an average absolute deviations of %Δ𝜌=3.12 𝑎𝑛𝑑 %Δ𝑃𝑆𝑎𝑡=1.23 . In the upcoming stage, by applying SAFT Huang & Radosz for systems with more than one component, investigation on the solubility of CO2 in H2O-CO2 system has been carried out. After being sure about the outcome of this model, The MSA term has been added to the Eos to apply it to model CO2 solubility in aqueous electrolyte solutions. Then, the extended EOS has been applied to calculate equilibrium pressure of dissolved CO2 in strong aqueous electrolyte solutions including: Sodium Chloride, Potassium Chloride, Calcium Chloride, Sodium Sulfate, Potassium Sulfate and systems containing mixed salts including: Sodium Chloride-Potassium Chloride, Sodium Chloride-Potassium Chloride and Potassium Chloride-Calcium Chloride. In the section of modeling, Electrolyte SAFT Huang & Radosz calculates equilibrium pressure of dissolved CO2 in H2O-CO2-NaCl system with salt concentration 10% (weight fraction) at 318.15 K and pressure range 40.9-158.3. The Average absolute deviations of vapor pressure calculated by eSAFT-HR in comparison with experimental data is 3.11%. The e SAFT-HR estimates CO2 Solubility in electrolytes at concentration of 0.25,0.50 and 1.00 molal of NaCl in the temperature range of 293-353 K and CO2 concentrations of 0.007,0.012 and 0.017 (mole fraction). The result of average absolute deviation of equilibrium pressure estimation in three concentrations of NaCl mentioned are 7.66%, 3.56% and 4.72%. Next, CO2 Solubility in electrolyte contains KCl 10% (wt%) at 318.15 K and pressure range 41.5 to 139.9 bar has been surveyed. The AAD% of calculated equilibrium pressure is 3.96%. In the next step, CO2 Solubility in system contains CaCl2 10% (wt%) has been investigated. The EOS estimates equilibrium pressure with AAD%=3.09. Then, the results of calculated equilibrium pressure for system contains Na2SO4 1.011 molal at 353.15 K is 10.46%. Then CO2 Solubility in electrolyte containing K2SO4 is compared with experimental results of CO2 Solubility at 298.15 K and pressure 1.01 bar. At last. Electrolyte SAFT Huang & Radosz predicts CO2 Solubility in aqueous electrolytes containing mixed salts including: NaCl-KCl, NaCl-CaCl2 and KCl-CaCl2. The Average absolute deviations of equilibrium pressure calculated for determined systems at concentration of 10% (wt%) of each mixed salts at temperature 318.15 K have been 13.29%, 14.86% and 12.87%. Keywords: Electrolyte Solution, CO2 Solubility, Thermodynamic modeling, Electrolyte SAFT Huang & Radosz, Equation of State