Thermophysical properties of biofuel systems under high-pressure conditions
Propriétés thermophysiques des systèmes de biocarburants sous haute pression
Résumé
The growing demand for sustainable alternatives to fossil fuels presents technical and scientific challenges related to the use of biofuels, particularly in understanding their thermophysical behavior under real operating conditions, such as high pressure. This thesis provides a comprehensive investigation of the thermophysical properties of biodiesel-based systems, encompassing both pure fuels and blends with 1-butanol and diesel. The objective is to address gaps in the literature, evaluate the feasibility of alternative formulations, and propose advances in predictive modeling. Properties such as density, speed of sound, isobaric heat capacity, and distillation profile were analyzed, along with derived properties such as compressibility, thermal expansivity, and excess properties. Experimental measurements were conducted over a wide pressure range, from atmospheric conditions to levels representative of the real operating environment of internal combustion engines, which can reach pressures up to 200 MPa. The addition of 1-butanol was explored as a strategy to mitigate the limitations of biodiesel, including its low volatility and poor performance at reduced temperatures, highlighting the potential of this alcohol as a promising renewable additive. In addition to generating novel experimental data, the study incorporates various modeling approaches, including the PC-SAFT equation of state, corresponding states models, and empirical correlations based on fatty ester composition, with the aim of improving the accuracy of property predictions. The results indicate that, although the evaluated models perform satisfactorily in specific contexts, targeted adaptations and parameterizations are essential for the accurate representation of multicomponent mixtures under high pressure. This work makes a significant contribution to the advanced characterization of biofuels, supporting the development of more efficient and sustainable fuels and enhancing modeling tools in process engineering.
La demande croissante pour des alternatives durables aux combustibles fossiles soulève des défis techniques et scientifiques, notamment en ce qui concerne la compréhension du comportement thermophysique des biocarburants dans des conditions réelles de fonctionnement, telles que les hautes pressions. Cette thèse propose une étude approfondie des propriétés thermophysiques de systèmes à base de biodiesel, incluant les combustibles purs ainsi que des mélanges avec du 1-butanol et du diesel. L'objectif est de combler certaines lacunes présentes dans la littérature, d'évaluer la viabilité de formulations alternatives et de proposer des avancées en matière de modélisation prédictive. Les propriétés telles que la densité, la vitesse du son, la capacité calorifique isobare et le profil de distillation ont été analysées, de même que des propriétés dérivées telles que la compressibilité, l'expansivité thermique et les propriétés en excès. Les mesures expérimentales ont été réalisées dans une large gamme de pressions, allant des conditions atmosphériques jusqu'à des niveaux représentatifs de l'environnement réel de fonctionnement des moteurs à combustion interne, pouvant atteindre 200 MPa. L'ajout de 1-butanol a été exploré comme stratégie pour atténuer les limitations du biodiesel, notamment sa faible volatilité et ses mauvaises performances à basse température, mettant en évidence le potentiel de cet alcool comme additif renouvelable prometteur. En plus de générer des données expérimentales inédites, ce travail intègre plusieurs approches de modélisation, incluant l'équation d'état PC-SAFT, les modèles des états correspondants et des corrélations empiriques fondées sur la composition en esters gras, dans le but d'améliorer la précision des prédictions. Les résultats montrent que, bien que les modèles évalués offrent des performances satisfaisantes dans certains contextes, des adaptations ciblées et des paramétrages spécifiques sont nécessaires pour représenter avec précision les mélanges multicomposants sous haute pression. Ce travail constitue une contribution importante à la caractérisation avancée des biocarburants, soutenant le développement de combustibles plus efficaces et durables et renforçant les outils de modélisation en génie des procédés.
A crescente demanda por alternativas sustentáveis aos combustíveis fósseis impõe desafios técnicos e científicos cada vez mais complexos associados ao uso de biocombustíveis, especialmente no que se refere à compreensão detalhada de seu comportamento termofísico sob condições operacionais reais, como aquelas encontradas em regimes de alta pressão típicos de motores de combustão interna modernos. Nesse contexto, o biodiesel destaca-se como uma alternativa renovável promissora ao diesel de origem fóssil, em função de sua biodegradabilidade, menor toxicidade e potencial de redução das emissões de poluentes; entretanto, seu uso, particularmente na forma pura, ainda apresenta limitações relevantes relacionadas a propriedades como elevada densidade, alta viscosidade e baixa volatilidade, as quais podem comprometer processos críticos de injeção, atomização, formação da mistura ar– combustível e combustão. Dessa forma, a caracterização rigorosa dessas propriedades torna-se essencial para ampliar a viabilidade técnica do biodiesel e de suas misturas, bem como para garantir sua aplicação segura e eficiente em sistemas de combustão operando sob condições severas. Esta tese investiga, de forma abrangente e sistemática, as propriedades termofísicas de sistemas à base de biodiesel, abrangendo tanto combustíveis puros quanto misturas com 1-butanol e diesel, com o objetivo de suprir lacunas existentes na literatura científica, avaliar a viabilidade de formulações alternativas e contribuir para o avanço de abordagens de modelagem preditiva aplicáveis a sistemas complexos e multicomponentes. Foram analisadas propriedades fundamentais, como densidade, velocidade do som, capacidade calorífica isobárica e perfil de destilação, além de propriedades derivadas, incluindo compressibilidade isotérmica, expansividade térmica isobárica e propriedades em excesso, obtidas por meio de experimentação em uma ampla faixa de pressões, desde a condição atmosférica até níveis que simulam o ambiente real de operação de motores modernos, os quais podem atingir pressões da ordem de 200 MPa. A adição de 1-butanol foi estudada como uma estratégia para mitigar limitações intrínsecas do biodiesel, como sua baixa volatilidade e desempenho insatisfatório em temperaturas reduzidas, evidenciando o potencial desse álcool como um aditivo renovável promissor, capaz de modificar de forma significativa o comportamento volumétrico, acústico, térmico e compressível dos sistemas estudados. A análise de propriedades em excesso permitiu ainda avaliar o grau de não idealidade das misturas e compreender as interações intermoleculares entre seus componentes sob diferentes condições de pressão, temperatura e composição. Além da geração de dados experimentais inéditos, o trabalho incorpora diferentes abordagens de modelagem, incluindo a equação de estado PC-SAFT, modelos de estados correspondentes e correlações empíricas baseadas na composição em ésteres graxos, empregadas com o objetivo de prever com maior precisão o comportamento termodinâmico dos sistemas investigados. Os resultados demonstram que, embora os modelos avaliados apresentem desempenho satisfatório em determinados contextos, adaptações e parametrizações específicas são essenciais para a representação adequada de misturas multicomponentes sob alta pressão, especialmente quando se busca um nível de precisão compatível com as incertezas experimentais. Dessa forma, o presente trabalho contribui de maneira significativa para a caracterização avançada de biocombustíveis, fornecendo dados experimentais relevantes, aprofundando a compreensão do efeito de aditivos renováveis e oferecendo subsídios ao desenvolvimento de combustíveis mais eficientes e sustentáveis, bem como ao aprimoramento de ferramentas de modelagem aplicadas à engenharia de processos e à simulação de sistemas energéticos alinhados a uma matriz de baixo carbono.
Mots clés
Domaines
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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