SUPERVISOR
محمدرضا احسانی (استاد راهنما) محمد نیکوکار (استاد مشاور)
STUDENT
Mohammad Razaghi
محمد رزاقی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1389
TITLE
Presentation of a New SAFT Equation of State for Predicting Phase Behavior of Pure Fluids and Mixtures
Heavy oil has recently become an important resource, as conventional oil reservoirs have limited production and oil price has risen. More than 6 trillion barrels of oil in place have been attributed to the world’s heaviest hydrocarbons. Therefore, heavy oil reserves account for more than three times the amount of combined world reserves of conventional oil and gas. Heavy oils cover a large range of API gravities, from 22 to less than 10. This wide range of values means that heavy oils vary greatly in their physical properties. Thus, extensive research is required before the properties of heavy oil can be properly understood. Molecular thermodynamics is an engineering discipline rooted in molecular physics and physical chemistry and aimed at developing practical models that predict the properties of matter. The goal of this work is to develop a molecular thermodynamic model for predicting fluid densities, phase equilibria, and energy functions, such as enthalpy. Chemical engineers need these properties to develop and design new processes and materials, and to make these processes energy efficient and environmentally benign. The approach is to hypothesize a mathematical approximatical approximation that captures interactions among real molecules on the basis of a molecular theory called the statistical associating fluid theory (SAFT). In this approximation, each molecule is composed of spherical segments that interact according to a square-well potential. In this study, a modified simplified statistical associating fluid theory (SSAFT) equation of state has been applied to predict the phase equilibrium behavior of associating and non-associating compounds, and their binary mixtures. The new equation of state has the same number of adjustable parameters as the original SAFT equation. In order to study multicomponent systems, the equation is first applied to pure fluids. Three molecular parameters are required to obtain the thermodynamic properties of pure substances namely numbers of segments (m), temperature independent segment molar volume in a closed-packed arrangement (v?), and depth of the square well potential (u). Two additional parameters are required to describe the associating molecules, the association energy, and volume. The experimental data of liquid densities and vapor pressure for pure fluids studied in this work were used to obtain the best values for the parameters of the new version of SSAFT. The result obtained from the new version of SSAFT, for liquid densities and vapor pressure of pure associating and non-associating fluids were compared with those obtained from the original SSAFT equation of state. The results showed that the new version of SSAFT can also accurately correlate the experimental data of liquid density and vapor pressure for systems studied. Binary mixtures are also investigated and reasonable results are obtained with no additional binary parameters. Finally, the new SSAFT equation of state was applied for prediction of phase behavior of heavy oil that showed good accuracy for this issue. The results show that the accuracy of the new equation of state is higher than SSAFTEOS,so that therelative errorofthenewequation of statecompared toexperimental values??in thecalculation ofthe vapor pressureandliquiddensityofpure substancesrespectively30 and25 percentimprovementcompared to theequation of stateSSAFT,respectively,1.782and1.583have been reported. Key words : Equation of state, phase behavior, associating fluids, SAFT, binary mixture
برایتعیینتعادل هایفازیمیانهیدروکربن هایسبکوسنگیندوراهوجوددارد، یکیانجامآزمایش هایتجربیودیگریاستفادهازمعادلاتحالت است. امااندازهگیری هایتجربیمستلزموقتوهزینهزیادیاستوداشتنمعادله ایکهبتواندرفتارفازیسیستم هارادردامنهوسیعیازشرایطعملیاتیپیشگوییکندنیازمندپایهتئوریقویاست .در تمامی معادلات حالت مکعبی ارائه شده نظیر پنگ- رابینسون، وندروالس و ... به خواص بحرانی نیازمندیم که این خواص برای تمامی مواد سنگین در دسترس نیست. همچنین اندازه گیری های تجربی آن نیز به علت شرایط عملیاتی، دشوار است و در غالب موارد مستلزم استفاده از روابط تخمینی است، که خود باعث بالا رفتن درصد خطای محاسبات می گردد. با گسترش مکانیک آماری و پیشرفت رایانه ها تمایل به استفاده از معادلات حالت آماری بیشتر از گذشته نمایان شده است. از مزایای این نوع معادلات، دقت بالای آن ها در تعیین دقیق تعادلات فازی حتی در محدوده نزدیک بحرانی است. در این تحقیق یک معادله حالت اصلاح شده بر اساس نظریه آماری سیال تجمع یافته ساده شده (SSAFT)، به منظور پیش بینی رفتار تعادل فازی ترکیبات تجمعی و غیر تجمعی، و همچنین مخلوط های دوتایی آن ها ارائه شده است که ماهیت معادله ارائه شده به صورت همان معادله ای است که توسط فو و سندلرارائه شد، با این تفاوت که ترم کره سخت به منظور افزایش دقت و کاهش خطای پیش بینی رفتار فازی با رابطه جدیدی جایگزین شده است.معادله حالت جدید، با همان تعداد پارامترهای قابل تنظیم که در معادله حالت SAFT اصلی به کار رفته است مطابقت دارد، با این تفاوت که ساده تر است. به منظور مطالعه سیستم های چند جزیی، ابتدا معادله برای سیالات خالص به کار می رود، تا هر یک از اجزا خالص به صورت جداگانه بررسی شوند و سپس مخلوط آن ها مورد بررسی قرار خواهد گرفت.به منظور بررسی و اندازه گیری خواص ترمودینامیکی سیال خالص، سه پارامتر مولکولی با نام های تعداد سگمنت (m)، حجم مولی سگمنت ها در آرایش بسیار فشرده که مستقل از دما است و عمق پتانسیل چاه مربعی (u) مورد نیاز است. دو پارامتر دیگر نیز برای شرح مولکول های تجمعی با نام های انرژی و حجم تجمع به کار رفته است. مقادیر تجربی دانسیته مایع و فشار بخار برای سیالات خالص مطالعه شده در این کار، به منظور اندازه گیری بهترین مقادیر برای پارامترهای نسخه جدید معادله SSAFT با استفاده از مراجع به کار رفته است. نتایج به دست آمده از معادله جدید ارائه شده، برای فشار بخار و دانسیته مایع سیالات خالص تجمعی و غیر تجمعی، با نتایج معادله اصلی SSAFT مقایسه شده است. نتایج نشان می دهند که دقت معادله حالت جدید از معادله حالت SSAFT بالاتر بوده، طوری که درصد خطای نسبی حاصل از معادله حالت جدید نسبت به مقادیر تجربی در محاسبات فشار بخار و دانسیته مایع مواد خالص مورد بررسی به ترتیب با 30 و 25 درصد بهبود نسبت به معادله حالت SSAFT، به ترتیب 782/1 و 583/1 گزارش شده است.