Phase-equilibrium and dynamic viscosity of gas mixtures at high pressures and liquid mixtures of heavy oils and liquefied gases

Abstract

O conhecimento acerca do equilíbrio de fases e da viscosidade de misturas de gases a altas pressões e de misturas de gases liquefeitos em óleos pesados é de grande importância em aplicações nas áreas de motores e combustíveis, refrigeração (lubrificação de compres-sores) e na exploração de petróleo. De modo a preencher uma lacuna existente na literatura com relação à disponibilidade de dados experimentais, esta tese se dedica ao estudo dos seguintes sistemas: (i) mistura binária metano-propano xCH4 + (1-x)C3H8, x = 0,8881 (fração molar), 203 < T < 424 K e 2 < p < 31 MPa; (ii) mistura ternária metano-propano-dióxido de carbono xCH4 + yC3H8 + (1-x-y)CO2, x = 0,6511, y = 0,0808 (frações molares), 203 < T < 420 K e 3 < p < 31 MPa; (iii) mistura binária de dióxido de carbono (CO2) e n-dodecano (C12H26) para frações molares de CO2 entre 0,2 e 0,8, 283 < T < 353 K e 1,2 < p < 14 MPa; (iv) mistura binária de propano (R-290) e óleo POE ISO 22 para frações molares de R-290 entre 0,2 e 0,8, 283 < T < 353 K e 0,17 < p < 2,3 MPa; (v) mistura binária de isobutano (R-600a) e óleo LAB ISO 2 para frações molares de R-600a entre 0,15 e 0,9, 293 < T < 353 K e 0,18 < p < 1,3 MPa. Para os sistemas (i) e (ii), a viscosidade dinâmica das misturas gasosas a alta pressão foi avaliada experimentalmente no Laboratory of Fluid Science and Resources do School of Mechanical and Chemical Engineering, da University of Western Australia, por meio da técnica do fio vibrante (vibrating wire viscometer), operando em regime permanente com o fio preso nas duas extremidades. Para os sistemas (iii), (iv) e (v), dados experimentais de equilíbrio de fases (pressão de ponto de bolha) e de viscosidade dinâmica da fase líquida foram obtidos simultaneamente por meio do método estático sintético em uma célula de equilíbrio de volume variável conectada em série com um viscosímetro de alta pressão baseado no método do pistão oscilante. Estes experimentos foram conduzidos no Polo ? Laboratórios de Pesquisa em Refrigeração e Termofísica, no Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Santa Catarina. Para a avaliação do equilíbrio de fases nos sistemas (iii), (iv) e (v), as equações de estado (EoS) de Peng-Robinson, PC-SAFT (Perturbed Chain Statistical Associating Fluid Theory) e PCP-SAFT (Perturbed Chain Polar Statistical Associating Fluid Theory) foram utilizadas para correlacionar as medições de pressão de ponto de bolha. Para a viscosidade de misturas líquidas, foi utilizado o model de Quiñones-Cisneros (baseado na teoria de cisalhamento, f-theory). A viscosidade das misturas gasosas dos sistemas (i) e (ii) foram correlacionadas dois modelos baseados na teoria dos estados correspondentes, ECS (Extended Corresponding State) e SuperTRAPP (modificação do modelo TRAPP ? Transport Proper-ties Predictions), um modelo preditivo baseado em resultados de simulação molecular para moléculas de Lennard-Jones, LJ, e um modelo semi-teórico, VW, que é um extensão para misturas base-ado no modelo de esferas duras de Enskog para gases densos. Os resultados experimentais de equilíbrio de fase para a mistura de R600a/LAB ISO 2 foi correlacionado com as EoS com um average absolute deviation (AAD) de 7,3 %. Para as misturas de CO2/n-C12H26 e R290/POE ISO 22, os AADs foram de 2,2 e 6,56 %, para o equilíbrio de fases, e 8,51 e 24,77 % para a viscosidade, respectivamente. As misturas de gas também foram correlacionadas como os modelos teóricos de viscosidade com AADs de 0,63 % para a mistura binaria e 2,53 % para a mistura ternária.

Abstract: The knowledge about phase-equilibrium and dynamic viscosity of gas mixtures under high pressure and mixtures of heavy oils and liquified gases is of great importance in the areas of engines and fuels, refrigeration (compressor lubrication) and oil & gas. In or-der to fulfill some of the experimental data gaps encountered in the literature, the present thesis is focused on the following systems: (i) methane-propane binary mixture xCH4 + (1-x)C3H8, x = 0.8881 (molar fraction), 203 < T < 424 K and 2 < p < 31 MPa; (ii) methane-propane-carbon dioxide ternary mixture xCH4 + yC3H8 + (1-x-y)CO2, x = 0.6511, y = 0.0808 (molar fractions), 203 < T < 420 K and 3 < p < 31 MPa; (iii) binary mixture of car-bon dioxide (CO2) and n-dodecane (n-C12H26) for CO2 mole fraction between 0.2 and 0.8, 283 < T < 353 K and 1.2 < p < 14 MPa; (iv) binary mixture of propane (R-290) and POE ISO 22 lubricating oil for R-290 mole fractions between 0.2 and 0.8, 283 < T < 353 K and 0.17 < p < 2.3 MPa; (v) binary mixture of isobutane (R-600a) and LAB ISO 2 lubricating oil for R-600a mole fractions between 0.15 and 0.9, 293 < T < 353 K and 0.18 < p < 1.3 MPa. For systems (i) e (ii), the dynamic viscosity of the gas mixtures at high pressures was experimentally evaluated in the Fluid Science and Resources Laboratory at the School of Mechanical and Chemical Engineering of the University of Western Australia, by means of a steady-state vibrating wire viscometer with the wire clamped at both ends. For systems (iii), (iv) e (v), the phase-equilibrium (bubble point pressure) and liquid dynamic viscosity data were gathered by means of an oscillating-piston viscometer connected in series with a synthetic variable?volume view PVT cell. These experiments were conducted at Polo ? Research Laboratories for Emerging Technologies in Cooling and Thermophysics at the Mechanical Engineering Department of the Federal University of Santa Catarina. For the theoretical evaluation of the phase-equilibrium in systems (iii), (iv) e (v), the PengRobinson cubic equations of state, EoS, the PC-SAFT (Perturbed Chain Statistical Associating Fluid Theo-ry) and the PCP-SAFT (Perturbed Chain Polar Statistical Associating Fluid Theory) were used to correlate the experimental bubble point pressure. For the liquid mixture viscosities, the theoretical model of Quiñones-Cisneros (based on the classical mechanics and van der Waals fluid theory, f-theory) was used. The viscosity of the gas mixtures in systems (i) and (ii) were correlated with with four theoretical models where two of them are based on the corresponding states theory, the ECS (Extended Corresponding States) and SuperTRAPP (modified TRAPP ? Transport Properties Predictions), the LJ model which is based on molecular dynamics simulations of Lennard Jones fluids and a semi-theoretical model, VW, which is an extension to mixture of the Enskog hard-sphere theory of dense gas. The phase-equilibrium experimental results for the R-600a/LAB ISO 2 system were correlated with an absolute average deviation, AAD, of 7.3%. For CO2/n-C12H26 and R290/POE ISO 22 mixtures, the AADs were 2.2 e 6.56%, for phase-equilibrium, and 8.51 and 24.77% for liquid viscosities, respectively. For the gas mixture viscosities, the AADs were 0.63% for the binary mixture and 2.53% for the ternary system.