Solubilidade de hidrocarbonetos aromáticos policíclicos em diferentes solventes com modelos preditivos

Abstract

O estudo do equilíbrio sólido- líquido desempenha um papel importante e significativo para muitas aplicações industriais. Por exemplo, o cálculo preciso dos limites de solubilidade de frações pesadas de petróleo. Nesse contexto, modelos baseados em COSMO têm se tornado alternativas interessantes para a previsão de coeficientes de atividade. Esses modelos utilizam informações das substâncias puras, obtidas através das cargas induzidas da molécula (σ) para prever o comportamento dessas substâncias quando em solução. Nesse estudo foram avaliados três modelos para a predição de solubilidade de hidrocarbonetos aromáticos policíclicos (Polycyclic Aromatic Hydrocarbons - PAHs). Para a maioria dos casos em que o modelo UNIFAC (Do) continha parâmetros para a sua aplicação, boas predições de solubilidade foram obtidas. A exceção foi o caso envolvendo nitrobenzeno, onde grandes erros foram observados. O modelo COSMO-SAC gerou boas predições para os casos em que os solutos continham poucos anéis aromáticos em uma ampla gama de solventes (desde apolares, passando por aromáticos até álcoois). Desvios maiores foram observados para o pireno e compostos maiores. Já o COSMO-SAC-Phi apresentou bons resultados em todos os casos estudados, uma vez que leva em consideração não só a polaridade das moléculas, assim como forças de dispersão e o volume livre. Com base nos resultados obtidos nesse estudo, conclui-se que é possível utilizar o modelo COSMO-SAC para predizer o comportamento de PAHs de até dois anéis aromáticos em solução. Para os casos de PAHs maiores, é recomendado o uso do modelo COSMO-SAC-Phi.

The study of solid-liquid equilibrium plays an important and significant role for many industrial applications. For example, the precise calculation of solubility limits of heavy oil fractions. In this context, COSMO-based models have become interesting alternatives for the prediction of activity coefficients. These models use information from pure substances, the induced charge densities around the molecule (σ) inside a perfect conduction, to predict the behavior of these substances when in solution. In this study, the solubility predition of PAHs (Polycyclic Aromatic Hydrocarbons) were evaluated for two COSMO-based models and also for the UNIFAC (Do) model. For the cases that could be handled by UNIFAC (Do), usually good results were obtained. The exception was the system with nitrobenzene, with a much higher solubility calculated by the model. COSMO-SAC was able to produce good predictions for PAHs with up to two aromatic rings in diverse solvents, ranging from apolar, to aromatic, up to alchools. On the other hand, COSMO-SAC-Phi was able to produce very good predictions for all cases tested, indicating the additional dispersion and free-volume contributions play an important role on these systems. Based on the results obtained in this study, it is concluded that it is possible to use the COSMO-SAC in the prediction of PAHs with up to 2 aromatic rings. For larger PAHs, the use of COSMO-SAC-Phi is recommended instead.