Determinación del equilibrio líquido-vapor de agua, aromáticos y sus mezclas mediante simulación molecular

Determining the water liquid-vapor, aromatic and mixtures thereof by molecular simulation balance

La simulación molecular presenta la ventaja de ofrecer un marco teórico importante para predecir propiedades termodinámicas y de transporte de fluidos con aplicaciones industriales. En este trabajo, se explotó está ventaja para predecir el equilibrio líquido vapor de agua, compuestos aromáticos y sus mezclas a condiciones tanto sub- como supercríticas. Se realizó una comparación de diferentes potenciales intermoleculares conocidos mediante el cálculo de propiedades termodinámicas de sistemas puros que sirvió de punto de partida para llevar a cabo una optimización de parámetros transferibles para un potencial intermolecular de agua y compuestos aromáticos.

En el mundo de la industria química, los datos termodinámicos experimentales son esenciales en el diseño, optimización simulación y control de procesos. En particular, el equilibrio líquido vapor representa el corazón de la mayoría de las operaciones unitarias más comunes de separación en ingeniería química, tal como la destilación, la extracción o la absorción. De ahí que, el conocimiento de las propiedades termodinámicas es indispensable en cualquier actividad relacionada con el diseño y la optimización. Sin embargo, las propiedades termodinámicas de sustancias frecuentemente no se encuentran con facilidad debido a una variedad de causas. Por ejemplo, la degradación, o aún, la aparición de reacciones secundarias de los componentes a condiciones extremas de temperaturas y presiones impiden considerablemente la determinación del equilibrio líquido vapor que puede llevarse a cabo. La corrosión es otro factor que puede tomarse en cuenta, así como el alto costo de experimentación o la toxicidad de los compuestos químicos, que en resumen no permiten la determinación. Por otro lado, algunos procesos nuevos requieren de esta información experimental, tal es el caso de el uso de luidos supercríticos para el tratamiento de residuos que permite la separación y destrucción de contaminantes orgánicos con el mismo proceso.

Consecuentemente, se necesitan aplicar procedimientos alternativos con el objeto de obtener estas propiedades termodinámicas faltantes. Se han presentado métodos analíticos que presentan la ventaja de proveer buenas aproximaciones a datos experimentales teniendo en cuenta muy pocas necesidades de tiempo de cálculo, o tiempo de ordenador. Tal es el caso de las ecuaciones de estado clásicas donde las predicciones de compuestos no polares, moléculas simétricas o hidrocarburos presentan un buen acuerdo mediante un ajuste de sus parámetros a datos experimentales. Aunque las ecuaciones de estado son comúnmente usadas con propósitos de ingeniería, su capacidad para predecir propiedades de fluidos complejos (tal como moléculas que forman puentes de hidrógeno, polímeros, etc.) son extremadamente deficientes. Además, no existe alguna manera de usarlas para calcular propiedades dinámicas.

Una metodología alternativa que provee propiedades tanto termodinámicas como dinámicas esta dada por la simulación molecular. La simulación molecular presenta la ventaja de ofrecer un marco teórico importante basado en la mecánica estadística para calcular propiedades para aplicaciones industriales. En un principio, es posible modelar toda clase de moléculas a cualquier temperatura y presión en cualquier mezcla. Sin embargo, explotar esta ventaja requiere de potenciales de interacción transferibles capaces de predecir las energías de interacción tanto intra como intermoleculares. Algunos autores han desarrollado potenciales que representan las propiedades de equilibrio de, por ejemplo, agua, moléculas alifáticas como alcanos, isoalcanos, etc. Sin embargo, otros compuestos igualmente importantes han recibido menos atención; tal es el caso de los compuestos aromáticos, y por otro lado, con respecto a los modelos de agua se ha encontrado su baja eficiencia en la reproducción de propiedades cerca del punto crítico. En este trabajo se presenta un nuevo potencial AUA (Anisotropic United Atom, empleado para predecir propiedades de equilibrio) para aromáticos y un potencial efectivo de agua para determinar el equilibrio líquido- vapor de sistemas puros y sus mezclas...