Calibration of a vibrating tube densimeter and study of the influence of temperature and pressure in the density of biodiesel + isobutanol blends

Abstract

O estudo da densidade de fluidos permite obter dados valiosos sobre o comportamento de substâncias puras e misturas permitindo assim uma melhor compreensão das interações moleculares. Por outro lado, dados rigorosos de densidade em função da temperatura e pressão são essenciais para vários aspetos de engenharia, seja para fins de projeto básico ou para otimizar as condições de operação duma unidade. Dados de densidade podem ser obtidos usando diferentes metodologias, algumas das quais foram referenciadas neste trabalho.O objetivo principal desta tese é estudar a influência da temperatura e pressão na densidade do biodiesel comercial, isobutanol puro e respetivas misturas binárias com diferentes níveis de álcool, para este efeito percentagens volumétricas de 5, 10 e 15% foram consideradas. É de sublinhar aqui a ausência de dados de densidade na literatura para as substâncias referidas. Para determinar a densidade em função da temperatura e pressão procedeu-se à calibração de um densímetro de tubo vibrante composto pela interface e unidade de aquisição de dados Anton Paar DMA60 e célula de medição de alta pressão DMA512P. Dois métodos diferentes de calibração foram aplicados e comparados: um aplicado por (Safarov et al., 2009) e outro apresentado por (Lagourette et al., 1992).Foram determinados um total de 1260 pontos (T, p, τ) para cada uma das substâncias de calibração, (água e n-octano), sendo que 1-butanol foi aplicado como substância de validação em ambas as calibrações também com um total de 1260 determinações (T, p, τ). Todos esses fluidos foram estudados na gama de T = (298.15 até 343.15) K, com incrementos de 5K, e na gama de pressão partindo da pressão atmosférica até 30.0MPa, com variações de 1.0MPa na gama de p = (0.1 até 10.0) MPa e variações de 2.0MPa na gama de p = (10.0 até 30.0) MPa. Para cada sistema de (biodiesel + isobutanol) um total de 480 determinações (T, p, τ) foram feitas em toda a gama de pressão, partindo da pressão atmosférica até 30.0MPa, considerando-se variações de 3.0MPa na gama de p = (0.1 até 12.0) MPa e variações de 6.0MPa na gama de p = (12.0 até 30.0) MPa. O desempenho de cada expressão de calibração resultante foi avaliado para a substância de validação comum (1-butanol). Para tal, a equação de estado de Tait foi ajustada aos dados experimentais (T, p, ρ) resultantes de cada calibração, o que permitiu comparar os resultados experimentais de densidade com dados da literatura apresentados por diversos autores. A calibração que apresentou os melhores resultados foi a de (Safarov et al., 2009) para a qual os dados de densidade reportados na literatura para 1-butanol apresentaram um desvio absoluto médio relativo percentual (AARD%), de 0.08% e desvio absoluto médio (AAD), na ordem de 0.63 kg.m-3.Após a seleção do melhor método de calibração, (Safarov et al., 2009), foram determinados os dados experimentais de densidade de isobutanol, biodiesel e misturas de biodiesel + isobutanol, sendo ajustada a equação de estado de Tait aos dados experimentais (P, V, T) obtidos para esses fluidos. Os dados experimentais de densidade para os sistemas acima mencionados são representados com um desvio de AARD% compreendido entre 0.01% e 0.02% e AAD na gama de 0.10 a 0.20 kg.m-3.

The study of fluid density allows us to obtain valuable data on the behaviour of pure substances or mixtures, thus allowing a better understanding of molecular interactions. On the other hand, accurate density data as a function of temperature and pressure are essential for various engineering endeavours, either for basic design purposes or optimizing operating conditions. Accurate density data can be obtained using different technologies, some of which were referenced in this work.The main objective of this thesis is to study the influence of temperature and pressure on the density of commercial biodiesel, pure isobutanol and their binary mixtures with different levels of alcohol, volumetric percentages of 5, 10 and 15% were considered. Furthermore, it is important to mention that the density data for the aforementioned substances are absent in the literature. In order to determine the densities as a function of temperature and pressure a vibrating tube densimeter composed of the Anton Paar DMA60 interface and data acquisition unit and high-pressure measuring cell DMA512P was calibrated. Two different calibration methods were applied and compared: one proposed by (Safarov et al., 2009) and another reported by (Lagourette et al., 1992).A total of 1260 (T, p, τ) data points were used for each of the calibration substances (water and n-octane), while 1-butanol was used as the validation substance in both calibrations also with a total of 1260 (T, p, τ) determinations. All fluids of this work were studied in the range of T = (298.15 up to 343.15) K, with 5K increments, and in the range of pressure from the atmospheric pressure range up to 30.0 MPa, using a 1.0MPa pressure increment in the range of p = (0.1 up to 10.0) MPa and increments of 2.0MPa in the range of p = (10.0 up to 30.0) MPa. For each system of (biodiesel + isobutanol) a total of 480 (T, p, τ) determinations were made in whole pressure range from atmospheric pressure up to 30MPa. Increments of 3.0 MPa were used in the range of p = (0.1 up to 12.0) MPa and 6.0 MPa in the range of p = (12.0 up to 30.0) MPa. The performance of each resulting calibration expression was assessed for the common validation substance (1-butanol). For this purpose, the Tait equation of state (EoS) was fitted to the experimental (T, p, ρ) data resulting from each calibration, which made it possible to compare the experimental results of density with data from the literature reported by various authors. The calibration that presented the best results was (Safarov et al., 2009) for which the literature density data for 1-butanol reported by various authors gave an AARD% = 0.08% and AAD = 0.63 kg.m-3.Having identified (Safarov et al., 2009) as the best calibration method, the experimental density data of isobutanol, biodiesel and biodiesel + isobutanol mixtures were determined and Tait EoS was fitted to the (T, p, ρ) data of those fluids. The experimental density data for the aforementioned systems are represented with an AARD% between 0.01% and 0.02% and AAD ranging between 0.10 and 0.20 kg.m-3.