Experimental and theoretical study of solubility of new absorbents in natural refrigerants

Abstract

En aquesta tesi s'ha realitzat un estudi experimental i teòric de la solubilitat de nous absorbents en refrigerants naturals. El mesurament de la temperatura de solubilitat dels nous fluids de treball NH3/LiNO3, NH3/NaSCN i NH3/H2O+NaOH s'ha realitzat a que les dades de solubilitat en la literatura són escassos, antics i incomplets. Per això s'ha dissenyat i construït un nou dispositiu basat en el mètode politèrmic-visual capaç de treballar a pressions moderades-altes per mantenir l’amoníac en estat líquid. També s'ha modelitzat la solubilitat dels sistemes H2O/LiNO3 (validació a pressió atmosfèrica) amb el model LIQUAC i els sistemes NH3/LiNO3 i NH3/NaSCN amb el model Symmetric Electrolyte-NRTL. Per millorar la solubilitat de la barreja H2O/LiBr i fer-la apta en sistemes aero-refrigerats s'ha optimitzat, mitjançant mètode politèrmic-visual, la mescla ) H2O/(LiBr+LiNO3+LiI+LiCl) proposada per Koo et al. (1999) en un rang de composicions de 65% a 69 %, obtenint un ràtio molar òptim 7:1:0.5:0 i un descens d'en la temperatura de solubilitat de 8 K a 35 K respectivament. Així mateix, s'ha modelitzat amb el model Electrolyte-NRTL la pressió de vapor de la mescla de sals de liti òptima obtinguda i l'efecte que té sobre aquesta l'addició de LiCl, obtenint un lleuger descens en la pressió de vapor respecte la mescla proposada per Koo et al. (1999) i una insignificant millora amb l'addició de LiCl. Finalment, s'ha estudiat la metodologia de calorimetria de flux per mesurar el límit de solubilitat de CO2 en amines. Aquesta tècnica permet la simultània determinació de entalpies de dissolució i límit solubilitat, obtenint desviacions menors del 5 % respecte a metodologies específiques.

En esta tesis se ha realizado un estudio experimental y teórico de la solubilidad de nuevos absorbentes en refrigerantes naturales. La medición de la temperatura de solubilidad de los nuevos fluidos de trabajo NH3/LiNO3, NH3/NaSCN y NH3/H2O+NaOH se ha realizado debido a que los datos de solubilidad en la literatura son escasos, antiguos e incompletos. Por ello se ha diseñado y construido un nuevo dispositivo basado en el método politérmico-visual capaz de trabajar a presiones moderadas-altas para mantener el amoníaco en estado líquido. También se ha modelizado la solubilidad de los sistemas H2O/LiNO3 (validación a presión atmosférica) con el modelo LIQUAC y los sistemas NH3/LiNO3 y NH3/NaSCN con el modelo Symmetric Electrolyte-NRTL. Para mejorar la solubilidad de la mezcla H2O/LiBr y hacerla apta en sistemas aero-refrigerados se ha optimizado la mezcla H2O/(LiBr+LiNO3+LiI+LiCl) propuesta por Koo et al. (1999) en un rango de composiciones de 65 % a 69 %, obteniendo un ratio molar óptimo 7:1:0.5:0 y un descenso de en la temperatura de solubilidad de 8 K a 35 K respectivamente. Así mismo, se ha modelizado con el modelo Electrolyte-NRTL la presión de vapor de la mezcla de sales de litio óptima obtenida y el efecto que tiene sobre ésta la adición de LiCl, obteniendo un ligero descenso en la presión de vapor respecto la mezcla propuesta por Koo et al. (1999) y una insignificante mejora con la adición de LiCl. Finalmente, se ha estudiado la metodología de calorimetría de flujo para medir el límite de solubilidad de CO2 en aminas. Esta técnica permite la simultánea determinación de entalpias de disolución y límite solubilidad, obteniendo desviaciones menores del 5 % respecto a metodologías específicas.

This thesis has made an experimental and theoretical study of the solubility of new absorbents in natural refrigerants. The measurement of solubility temperature of the new working fluids NH3/LiNO3, NH3/NaSCN and NH3/(H2O+NaOH) is due to the fact that solubility data available in literature is scarce, old and incomplete. For this purpose it has designed and built a new experimental device based on visual-polythermal method with the capacity to work at moderate-high pressures to maintain ammonia in liquid sate. It has also been modelled the solubility of H2O/LiNO3 systems (validation at atmospheric pressure) and the model LIQUAC NH3/LiNO3 and NH3/NaSCN systems with Symmetric Electrolyte-NRTL model. To improve the solubility of the mixture H2O/LiBr and make it suitable in aero-cooled systems it has been optimized, by polythermal-visual method, the mixture H2O/(LiBr + LiNO3 + LiI + LiCl) proposed by Koo et al. (1999) in a composition range from 65% to 69%, obtaining an optimum molar ratio of 7:1:0.5:0 and a decrease in the solubility temperature from 8 K to 35 K respectively. Furthermore, it has been modelled with Electrolyte NRTL model the vapour pressure of the optimum mixture of lithium salts obtained and the effect of the LiCl addition, obtaining a slight reduction in the vapour pressure regarding the mixture proposed by Koo et al. (1999) and an insignificant improvement with the addition of LiCl. Finally, it has been studied the flow-calorimetric methodology to measure the solubility limit of CO2 in amines. This technique allows the simultaneous determination of enthalpies of solution and solubility limit, obtaining deviations lower than 5% regarding specific methodologies.