Mediciones y modelado de las densidades del sistema etanol+decano hasta 700 bar a 50, 80 y 100 °C, mediante la técnica de tubo vibrante

Abstract

RESUMEN: Este trabajo está constituido por dos temas: el principal, es la medición y modelado de la densidad de la mezcla Etanol(1)+n-Decano(2) en el intervalo de presión de 10 a 700 bar, a Temperaturas de 50, 80, 100 °C y composiciones de x1 =0.0, x1 =0.05 y x1 =0.1 hasta x1=1.0 con incrementos de 0.1 en fracción molar de Etanol(1), y el tema secundario es el diseño de celdas de carga-compresión. Se determinaron las densidades a lo largo de 36 isotermas, obteniendo 720 puntos isotérmicos de estado de la mezcla. Del análisis de las técnicas experimentales modernas para la medición de propiedades PVT, resalta la técnica del DTV, de la cual, se describe técnica y principio de operación. También se describe el método de calibración FPMC y las metodologías utilizadas para la medición de las propiedades PρT. La parte metrológica entorno a las mediciones de densidad, muestra los criterios y metodología de calibración del densímetro de tubo vibrante, de una sonda de resistencia de platino para la medición de Temperatura y de dos transductores de presión utilizados en la medición de la densidad del sistema de estudio Etanol(1)+n-Decano(2), en la zona de baja y alta presión. También se obtuvieron los parámetros para el modelo de calibración FPMC a cada una de las temperaturas de estudio. Se detalla el procedimiento de síntesis de la mezcla Etanol(1)+n-Decano(2), así como los resultados de densidad obtenidos para la mezcla de estudio. Utilizando como base la ecuación de Tait se modelaron proyecciones del comportamiento de la mezcla Etanol(1)+n-Decano(2), integrando en la ecuación de Tait, tres modelos para la representación del comportamiento de la densidad de referencia a 10 bar. El primero es una aproximación polinomio, el segundo una construcción de contribución en composición y el tercero es una estructura tipo Redlich-Kister, que conjuga datos de inicialización de los fluidos puros y una expresión generalizada para el volumen de exceso. Considerando el comportamiento de los dos parámetros; B y C de la ecuación tipo Tait y las expresiones de los modelos para la densidad de referencia, se construyeron tres modelos; ρ6P T (x,T), ρ4P T (x,T) y ρRKT (x,T), para la representación de la mezcla Etanol(1)+n-Decano(2). Se partió´ de una modelación a composición y temperatura constantes, para luego expresar cada modelo en términos de composición, y finalmente expresar cada modelo con dependencias en composición, presión y temperatura, generándose correlaciones de estado explicitas en densidad para la mezcla Etanol (1)+n-Decano(2). Se realizó una comparación de los modelos ρ6P T (x,T), ρ4P T (x,T) y ρRKT (x,T) con datos encontrados en la literatura. Finalmente se expresan las conclusiones generadas tanto para el diseño de las celdas de carga-compresión como de la medición y modelado de la mezcla Etanol(1)+nDecano(2). Como parte de la metodología desarrollada, se plantean los criterios de diseño de las celdas de carga-compresión, partiendo de los principios básicos que rigen la deformación como función del esfuerzo en materiales isotrópicos y dentro de la zona elástica de los materiales. Los criterios aplicados fueron los de máximo esfuerzo de Tresca y Von Mises. Se llevaron a cabo simulaciones y cálculos que permitieron plasmar los resultados obtenidos de forma analítica en diagramas para dos celdas: una hecha de Titanio-Gr5 y otra de Acero inoxidable AISI-316. También se muestran las evaluaciones de cada una de las celdas de carga-compresión en el módulo Stanleyr, sobre la plataforma Salome-Mecar, como vía de validación del dimensionamiento de cada una de las celdas de carga-compresión. Al final de este trabajo, se proporcionan anexos con tablas de las densidades obtenidas de la medición de la mezcla Etanol(1)+n-Decano(2) con las respectivas incertidumbres de presión, temperatura, periodo y densidad, en cada uno de los puntos experimentales. ABSTRACT: This work is constituted by two issues; the main, is the measurement and modelling of density of the Ethanol(1)+n-Decane(2) mixture, in the pressure ranges from 10 to 700 bar, at temperatures 50, 80 and 100 oC, at compositions x1 =0.0, x1 =0.05, from x1 =0.1 to x1=1.0 in increments of 0.1 in Ethanol(1) mole fraction, and the secondary issue is the design of compression-load cells. Densities were determined for 36 isotherms, getting 720 isothermal state points of the mixture. From the analysis of modern experimental techniques for measuring PVT properties, DTV technical highlights, which technique and operating principle is described. It is described the calibration method used (FPMC) and the methodologies employed for measuring of PρT properties. The metrology issues around the density measurements exhibit the calibration criteria and methodologies employed for the vibrating tube densimeter, the platinum resistance probe for measurement of T and of two pressure transducers used in the density measurement for the system under study. From the analysis were also obtained the parameters of the FPMC model parameters at each of the studied temperatures and their respective uncertainties. Details of the synthesis procedure of the Ethanol(1) + n-Decane(2) mixtures are provided as well as the results obtained from the measurements of the densities of the studied mixture. Using a basis Tait like state correlation, some projections of the state behavior of the Ethanol(1) + n -Decane (2) mixture were fitted. Three models for the representation of the behavior of the reference density at 10 bar were integrated in the Tait equation. The first one is a polynomial approximation, the second one is a mathematical construction involving a composition dependent contribution, and the third one is a Redlich - Kister type structure that combines pure fluid data and a generalized expression for excess volume. Considering the behavior of the two parameters, B and C of the Tait -type equation and the expressions of the models for the reference density three models were built: ρ6PT (x,T), ρ4PT (x,T) and ρRKT(x,T) for representing the Ethanol(1)+n-Decane(2) mixture. The modeling first begins with constant composition and temperature formulations of the density against pressure, then for each model composition dependent expressions are given and finally, composition, pressure and temperature dependencies are included simultaneously. The results are density explicit correlations of the state of the studied mixture. A comparison of the models ρ6PT , ρ4PT and ρRKT with data found in the literature is provided (what are the obtained RESULTS). Conclusions are finally expressed for both the generated design of the compression and loading cells, the experimental determination of densities and modeling of the Ethanol(1)+n-Decane(2) mixture. As part of the Methodology developed, are the design criteria of the compression-load cells arisen, starting from the basic principles that govern the strain as stress function, in isotropic materials within the elastic region of the material, and applying these to the Maximum Stress Criteria of Tresca and von Mises. Simulations and calculation were carried out that allowed to translate the design results into engineering drafts for two cells: one made of Titanium- Gr5 and one made of stainless steel AISI-316. The evaluations of each of the two compression and loading cells are shown. They were performed in the module Stanleyr within the Salome-Mecar platform as a validation mean for the sizing of each compression and loading cell. At the end of this study, accompanying tables of data are provided containing the experimentally determined densities of the Ethanol(1)+n-Decane(2) mixture along with the underlying uncertainties in pressure, temperature, DTV period of vibration and density, for each of the experimental data point.