شماره مدرك
21114
شماره راهنما
18103
پديد آورنده
محمدي، كاوه
عنوان
مدل سازي ترموديناميكي تعادل مايع-مايع در مخلوط هاي متانول و مايعات يوني
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
گرايش تحصيلي
طراحي فرايند
محل تحصيل
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
سال دفاع
1405
صفحه شمار
شانزده، 84ص. : مصور، جدول، نمودار
توصيفگر ها
تعادل مايع - مايع , متانول , نرمال هگزان , مايع يوني , معادله حالت PC-SAFT , مدل سازي ترموديناميكي
تاريخ ورود اطلاعات
1405/03/20
كتابنامه
كتابنامه
رشته تحصيلي
مهندسي شيمي
دانشكده
مهندسي شيمي
تاريخ ويرايش اطلاعات
1405/03/23
كد ايرانداك
23226149
چكيده فارسي
در اين پژوهش، مدلسازي ترموديناميكي تعادل مايع-مايع سيستم سهجزئي نرمالهگزان + متانول + [NTf₂][BMIM] در دماي 298.15 كلوين و فشار اتمسفريك با استفاده از معادله حالت PC-SAFT انجام گرديد. دادههاي تجربي شامل يازده خط تعادلي از منابع استخراج شد. متانول بهعنوان مولكول تجمعي با طرح 2B و مايع يوني با رويكرد شبهتجمعي مدلسازي گرديد. سه پارامتر برهمكنش دوتايي (k23 و k13 و k12) با استفاده از يك استراتژي بهينهسازي تركيبي سهمرحلهاي شامل الگوريتم ژنتيك با جمعيت 100 فرد و 50 نسل، بهينهسازي محلي چندنقطهاي از 10 نقطه شروع تصادفي و الگوريتم برنامهريزي درجه دوم متوالي (SQP) تعيين شدند. تابع هدف بهصورت مجموع مربعات خطا بين كسرهاي مولي تجربي و محاسباتي در هر دو فاز تعادلي تعريف گرديد. از 10 اجراي مستقل بهينهسازي، 7 مورد به نقطه بهينه يكسان همگرا شدند كه نشاندهنده پايداري و قابل اطمينان بودن نتايج است. پارامترهاي برهمكنش دوتايي نهايي برابر با 0.0371 = k12 براي جفت نرمالهگزان - متانول، 0.0122 = k13 براي جفت نرمالهگزان - [NTf₂][BMIM] و 0.0275- = k23 براي جفت متانول - [NTf₂][BMIM] شد. مقدار منفي k23 بيانگر برهمكنش قويتر از ميانگين هندسي بين متانول و [NTf₂][BMIM] است كه ناشي از تشكيل پيوند هيدروژني بين گروه هيدروكسيل متانول و اكسيژنهاي سولفونيل آنيون –[NTf₂] ميباشد و اساس مولكولي توانايي استخراجي مايع يوني، براي جداسازي انتخابي متانول از مخلوط آزئوتروپ آن با نرمالهگزان را تشكيل ميدهد. ارزيابي كمي عملكرد مدل با استفاده از شاخصهاي آماري انجام گرديد. خطاي جذر ميانگين مربعات (RMSD) برابر 0.0079، ضريب تعيين (R2) برابر 0.9995، مجموع مربعات خطا (SSE) برابر 3-10×4.1167، ميانگين درصد انحراف مطلق (AAD%) برابر 0.1493 و ميانگين خطاي مطلق (MAE) برابر 0.0043 بهدست آمد. مقايسه نتايج با مدلهاي NRTL و UNIQUAC كه در منابع براي همين سيستم گزارش شدهاند، نشان داد كه مدل PC-SAFT با RMSD برابر 0.0079 در مقايسه با RMSD مدل NRTL برابر 0.0147 و UNIQUAC برابر 0.0158 به ترتيب 53.7% و 50% دقت بالاتري دارد. اين برتري ريشه در توانايي معادله حالت PC-SAFT در توصيف صريح برهمكنشهاي تجمعي از طريق جمله تجمعي مستقل و تفكيك سهم نيروهاي پراكندگي و پيوند هيدروژني دارد. اعتبارسنجي مدل با سيستم سهجزئي نرمالهگزان + متانول + [PF₆][BMIM] نيز انجام گرديد و نتايج مشابهي با RMSD برابر 0.01135 و R2 برابر 0.9989 حاصل شد كه كارايي رويكرد پيشنهادي را تأييد ميكند.
چكيده انگليسي
In this study, thermodynamic modeling of the Liquid-Liquid Equilibrium (LLE) for the ternary system of n-hexane(1) + methanol(2) + [BMIM][NTf₂](3) was carried out at 298.15K and atmospheric pressure using the Perturbed-Chain Statistical Associating Fluid Theory (PC-SAFT) equation of state. Experimental data comprising eleven tie-lines were taken from the literature. Methanol was modeled as an associating compound employing the 2B association scheme, while the ionic liquid was treated through a pseudo-association (ion-pair) approach. Three binary interaction parameters (k12, k13, and k23) were regressed using a hybrid three-stage optimization strategy consisting of a Genetic Algorithm (GA) with a population size of 100 individuals over 50 generations, multi-start local optimization from 10 random initial points, and the Sequential Quadratic Programming (SQP) algorithm for final refinement. The objective function was defined as the sum of squared errors (SSE) between the experimental and calculated mole fractions across both equilibrium phases. Out of 10 independent optimization runs, 7 converged to the same optimum, confirming the robustness and reliability of the obtained solution. The final binary interaction parameters were determined as k12 = 0.0371 for the n-hexane–methanol pair, k13 = 0.0122 for the n-hexane–[BMIM][NTf₂] pair, and k23 = -0.0275 for the methanol–[BMIM][NTf₂] pair. The negative value of k23 indicates an attractive interaction stronger than the geometric-mean prediction between methanol and [BMIM][NTf₂], which is attributed to the formation of hydrogen bonds between the hydroxyl group of methanol and the sulfonyl oxygen atoms of the [NTf₂]– anion. This strong cross-interaction constitutes the molecular basis for the selective extraction capability of the ionic liquid in separating methanol from its azeotropic mixture with n-hexane. Quantitative evaluation of the model performance was conducted using several statistical metrics. The root-mean-square deviation (RMSD) was found to be 0.0079, the coefficient of determination (R2) was 0.9995, the sum of squared errors (SSE) was 4.167×10-3, the average absolute deviation (AAD%) was 0.1493, and the mean absolute error (MAE) was 0.0043. A comparison with the NRTL and UNIQUAC models reported in the literature for the same system revealed that the PC-SAFT model, with an RMSD of 0.0079, provides approximately 46% and 50% higher accuracy than the NRTL model (RMSD = 0.0147) and the UNIQUAC model (RMSD = 0.0158), respectively. This superiority originates from the inherent capability of the PC-SAFT equation of state to explicitly account for association interactions through a dedicated association contribution term, thereby allowing for a separate treatment of dispersion forces and hydrogen-bonding effects. Further validation was performed on a second ternary system, n-hexane + methanol + [BMIM][PF₆], which yielded comparable results with RMSD = 0.01135 and R2 = 0.9989, confirming the effectiveness and transferability of the proposed modeling approach.
استاد راهنما
محمدرضا احساني , ترانه جعفري بهبهاني
استاد داور
حميدرضا شاه وردي , علي اكبر دادخواه