Investigadors d’IQS treballen amb Soft-SAFT, una equació d’estat basada en principis de mecànica estadística per tal d’estudiar un gran ventall de propietats fisicoquímiques de manera consistent entre elles, donant respostes ràpides per l’optimització de processos industrials i reduir el nombre d’experiments a realitzar.
Exemple de proposta d’un model molecular amb Soft-SAFT per un líquid iònic fluorat
La necessitat d’entendre les interaccions que es produeixen entre els compostos, a fi de poder caracteritzar el seu comportament termofísic, és quelcom clau per tal de poder dissenyar qualsevol operació unitària en el món de la indústria. Quan s’estudien nous processos, la quantitat de mesures experimentals necessàries és enorme i no sempre es pot explorar en un temps raonable. L’ús d’eines teòriques pot permetre una avaluació ràpida i poc costosa de totes les condicions de procés, acotant el radi d’acció i reduint significativament la càrrega experimental.
El disseny, simulació i optimització de processos es basa en la possibilitat de disposar de models o equacions d’estat (EoS) robustes i fiables. Al Departament d’Enginyeria Química i Ciències de Materials d’IQS, un grup d’investigadors treballa amb l’eina Soft-SAFT [i], una equació d’estat basada en principis de mecànica estadística que permet estudiar un gran ventall de propietats fisicoquímiques de manera consistent entre elles. L’avantatge de Soft-SAFT respecte altres models termodinàmics que existeixen és la seva sòlida base física i capacitat predictiva, la qual permet donar respostes ràpides reduint significativament el nombre d’experiments a realitzar en un estudi concret.
Funcionament de Soft-SAFT
Soft-SAFTestà construïda a partir de l’anàlisi de les estructures químiques de les molècules, entenent que l’energia de les mateixes es pot determinar mitjançant una suma de contribucions que corresponen als efectes físics que es produeixen en la mateixa: formació de cadenes moleculars, efectes d’atracció i repulsió, enllaços d’hidrogen, efectes polars, etc. Aquesta informació és obtinguda a partir de simulacions moleculars i introduïda en un codi de manera efectiva, a nivell mesoscòpic, Com a resultat, s’obté una equació versàtil que defineix un fluid a partir d’uns paràmetres que tenen sentit físic: el nombre d’esferes que formen una cadena, el diàmetre molecular de les esferes, la seva energia, etc. Aquest fet dota l’equació d’una extraordinària capacitat d’extrapolació, podent predir tot tipus de propietats termofísiques en amplis rangs de temperatura i pressió.
Addicionalment, a partir de l’estudi de molècules amb estructures semblants, és possible predir el comportament de nous compostos i de mescles sense dades experimentals, amb un grau de precisió força acurat. A més, l’actual codi porta integrats altres tractaments específics per propietats com la tensió superficial o la viscositat. En total, permet calcular més de 15 propietats termodinàmiques d’interès industrial amb un cost computacional molt baix, ja que el resultat s’obté en segons.
Aplicacions i reptes als que pot donar solució
Soft-SAFTés aplicable a molts àmbits per aconseguir l’optimització i eficiència de processos, i per tant la millora de disseny dels mateixos, a partir de l’obtenció d’informació termodinàmica de forma precisa. Així mateix, permet l’estudi d’un nombre elevat de compostos nous per seleccionar els més adients per aplicacions concretes i validar-los experimentalment, des de les molècules més senzilles fins les més complexes.
Està adreçada a diversos sectors industrials, com són, entre d’altres: sectors industrials emissors de gasos d’efecte hivernacle; indústria petroquímica; sector farmacèutic (per caracterització de nous compostos); indústria de fluids supercrítics; i la indústria de la refrigeració (gasos fluorats i altres refrigerants).
Alguns dels reptes industrials als que pot donar resposta són:
- Captura de gasos d’efecte hivernacle mitjançant la cerca de nous solvents més efectius per a la seva recuperació
- Avaluació de mescles de nous refrigerants amb baix potencial d’escalfament global
- Caracterització de nous solvents (líquids iònics, solvents eutèctics profunds) en processos d’extracció; així com la optimització de les condicions d’operació
- Determinació de la solubilitat de contaminants en aigua
- Disseny de les condicions termodinàmiques de procés amb fluids supercrítics