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Theses Year : 2015

Development of an original experimental apparatus and a predictive model for the thermodynamic study of sulfur compounds

Développement d’un dispositif expérimental original et d’un modèle prédictif pour l’étude thermodynamique des composés soufrés

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Fan Zhang

Abstract

Sulfur compounds are widespread in various industrial fields. Design and/or optimization of the processes involving these compounds require accurate knowledge of thermodynamic properties of the concerned mixtures. Considering the complexity of industrial mixtures and for economical reasons, one may look to thermodynamic models with predictive features. To develop and validate these models, a minimum number of experimental data are required. Our literature review on sulfides (R-S-R'), 1-thiols (R-SH) and their possible solvents (n-alkanes and 1-alkanols) has shown a lack of data and of adapted experimental method. This observation leads to the need of developing a new experimental apparatus.In this work, we designed an innovative experimental apparatus for vapor-liquid-equilibrium measurements in the pressure range of [0.1 – 10] bar. The new apparatus is based on the “static-analytic” method. The key improvements are the two adaptations made for ROLSITM capillary samplers to achieve phase sampling in this pressure range. After validating the newly developed apparatus, new data of binary and ternary mixtures of interest were measured in order to develop a new predictive thermodynamic model focusing on sulfur compounds.The proposed predictive model is the PC-SAFT equation of state combined with a group contribution method (GC-PC-SAFT). We incorporated a polar term into PC-SAFT and investigated two representative families of sulfur compounds: sulfides and 1-thiols. The GC-PC-SAFT model proved reliable in correlating and predicting thermodynamic properties of pure compounds. Model parameters were fitted to the data found in the literature, as well as to those obtained through the new apparatus. Phase diagrams of some binary (sulfide + n-alkane, sulfide + 1-alkanol, 1-thiol + n-alkane and 1-thiol + 1-alkanol) and ternary (1-mercaptan + n-alkane + 1-alcool) mixtures were predicted.
Les composés soufrés sont répandus dans divers secteurs industriels comme la chimie. La conception et/ou l'optimisation des procédés impliquant ces composés nécessite de connaître leurs propriétés thermodynamiques (corps purs et mélanges). Etant donnée la complexité des mélanges et pour des raisons économiques, des modèles thermodynamiques « prédictifs » sont souvent privilégiés. Le développement et la validation de ces modèles nécessitent des données expérimentales. Notre étude bibliographique ciblant les sulfures (R-S-R'), les 1-mercaptans (R-SH) et leurs éventuels solvants (les n-alcanes et les 1-alcools) nous a permis de mettre en évidence un manque de données concernant ces composés. De plus nous avons également observé un manque de techniques expérimentales adaptés, et de ce fait le besoin de développer un nouveau dispositif expérimental.Au cours de cette thèse, nous avons conçu un dispositif expérimental innovant permettant la mesure des équilibres liquide-vapeur à des pressions comprises entre 0,1 et 10 bar. Ce dispositif est basé sur la méthode « statique-analytique ». Nous avons mis en place deux adaptations spécifiques aux échantillonneurs capillaires ROLSITM pour permettre l'échantillonnage à ces pressions. De nouvelles données des mélanges binaires et ternaires d'intérêt ont été ainsi mesurées.Le modèle thermodynamique prédictif choisi est PC-SAFT couplé avec une méthode de Contribution de Groupes (GC-PC-SAFT). Un terme polaire a été introduit. Le travail s'est focalisé sur l'étude de deux familles représentatives de composés soufrés : les sulfures et les 1-mercaptans. Le modèle GC-PC-SAFT a montré sa capacité de bien corréler et prédire les propriétés thermodynamiques des corps purs. L'ajustement des paramètres s'est appuyé sur les données de la littérature et celles obtenues par le nouvel équipement. Les diagrammes de phases des mélanges binaires (sulfure + n-alcane, sulfure + 1-alcool, 1-mercaptan + n-alcane et 1-mercaptan + 1-alcool) et ternaires (1-mercaptan + n-alcane + 1-alcool) ont été prédits.
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Identifiers

  • HAL Id : tel-03081197 , version 1

Cite

Fan Zhang. Développement d’un dispositif expérimental original et d’un modèle prédictif pour l’étude thermodynamique des composés soufrés. Génie des procédés. Ecole Nationale Supérieure des Mines de Paris, 2015. Français. ⟨NNT : 2015ENMP0069⟩. ⟨tel-03081197⟩
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