Propiedades interfaciales y equilibrio de fase de mezclas fluidas mediante simulación Monte Carlo
- Autores: Francisco José Martínez Ruiz
- Directores de la Tesis: Felipe Jiménez Blas (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Huelva ( España ) en 2015
- Idioma: español
- Número de páginas: 235
- Tribunal Calificador de la Tesis: Erich A. Müller (presid.), Jose Manuel Míguez Díaz (secret.), Manuel Martínez Piñeiro (voc.)
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Arias Montano
- Resumen
- español
La comprensión, desde un punto de vista molecular, del equilibrio de fase y las propiedades interfaciales de sistemas condensados ha crecido enormemente en las últimas décadas. Sin embargo, la determinación de propiedades termodinámicas y estructurales de sistemas inhomogéneos formados por mezclas complejas (cadenas moleculares, sustancias asociantes, ...), como anchura interfacial, adsorción y tensión superficial entre otras, es limitada en comparación con la de sistemas homogéneos. El conocimiento preciso de las propiedades interfaciales es esencial en el diseño de procesos de enorme interés teórico e industrial. Hoy en día se puede determinar el diagrama de fases completo y las propiedades interfaciales de un determinado modelo haciendo uso de la simulación molecular, debido en gran parte al vertiginoso aumento de la potencia computacional y al gran número algoritmos que se han desarrollado en estos últimos años.
En esta tesis se combinan diferentes técnicas de simulación Monte Carlo para entender desde el punto de la Mecánica Estadística cómo los parámetros microscópicos de un modelo molecular determinan las propiedades interfaciales de sistemas que exhiben equilibrio líquido-vapor y líquido-líquido. Especial importancia tiene el análisis del efecto de las correcciones de largo alcance sobre el comportamiento del sistema, debido al truncamiento de potenciales continuos, por lo que en esta tesis se extiende y mejora una metodología para determinar dichas correcciones. Especial énfasis tiene el cálculo de la tensión superficial, así como la incorporación a dicho cálculo de las correcciones de largo alcance, extendiendo y mejorando el método estándar basado en el cálculo del tensor de presiones del sistema inhomogéneo mediante el cálculo del virial. Este cálculo es fácil de implementar en sistemas sencillos, pero no tanto en sistemas moleculares complejos, por lo que se han utilizado otras metodologías basadas en la ruta termodinámica: perturbaciones de volumen, Test-Area (TA) y el Wandering Interface Method (WIM).
Se ha determinado la tensión interfacial líquido-vapor y líquido-líquido de mezclas binarias de modelos esféricos sencillos, y la tensión superficial líquido-vapor de cadenas flexibles de monómeros que interaccionan mediante los potenciales de Lennard-Jones y de pozo cuadrado (Square Well). La aproximación Soft-SAFT, basada en la teoría de Wertheim, ha permitido calcular el diagrama de fases completo de las mezclas con objeto de validar las metodologías de simulación Monte Cario implementadas. En el caso de cadenas flexibles Lennard-Jones se ha estudiado el efecto de la longitud de cadena y flexibilidad sobre las propiedades interfaciales. Se ha determinado la presión de vapor en el equilibrio líquido-vapor de cadenas SW de forma indirecta mediante la combinación de la simulación Monte Cario e integración termodinámica, así como su incertidumbre haciendo uso del Método Sintético. Por último, se han explorado relaciones de escalado universal para correlacionar cadenas moleculares con diferente grado de flexibilidad que interaccionan bajo el potencial intermolecular de Lennard-Jones y de Square-Well.
- English
The understanding, from a molecular perspective, of the phase equilibria and interfacial properties of condensed systems, has increased in the last years. However, the determination of the thermodynamic and structural properties of inhomogeneous systems of complex mixtures (molecular chains, associating systems...), such as the interfacial thickness, adsorption, and surface tension, among others, is limited compared with that of homogenous systems. The precise knowledge of the interfacial properties is essential from a theoretical point of view and for the design of process of industrial interest. Nowadays, it is possible to determine the global phase diagram and the interfacial properties of a given model using molecular simulation. This is probably due to the enormous increasing of the available computational resources and also due to the development of new and more effective computational methods during the last years.
In this Thesis, we combine different Monte Carlo simulation techniques to understand, from the Statistical Mechanics point of view, how the microscopic parameters of a given molecular model determine the interfacial properties of systems that exhibit vapour-liquid and liquid-liquid equilibria. The analysis on how the long-range corrections affect the behaviour of the system, particularly due to the discontinuities existing in continuous potential that are truncated at a given distance, is an important and delicate issue. In this Thesis, we extend and improve an existing methodology in the literature to account for these long-range corrections. We put special emphasis on how these corrections affect to the interfacial tension and extend and improve the standard method for determining the pressure tensor in inhomogeneous systems (virial or mechanical route). This methodology is easy to apply and implement in systems form from spherically symmetric molecules, but this is not the case of complex molecular systems. In this Thesis, we use alternative methods, based on the thermodynamic route, such as the volume perturbation technique, the Test-Area (TA) methodology, and the Wandering Interface Method (WIM).
We have determined the vapour-liquid and liquid-liquid interfacial tension of binary mixtures of spherical systems, and the vapour-liquid surface tension of flexible chains form from monomers that interact through the Lennard- Jones and Square-Well intermolecular potentials, among many other interfacial properties. The Soft-SAFT approach, based on Wertheim’s theory, is used to calculate the global phase diagram of the mixtures studied in order to compare the simulation results obtained in this Thesis. In the case of flexible Lennard-Jones chains, we have studied the effect of chain length and flexibility on the phase equilibria and interfacial properties. We have also calculated the vapour pressure of Square-Well chains along the vapour-liquid coexistence combining Monte Carlo simulations of the interface and the thermodynamic integration technique, as well as the associated error from the Sinthetic Method. Finally, we have also analysed some universal scaling relationships for Lennard-Jones and Square-Well molecular chains with different degrees of flexibility.
- español
