Solvation Phenomena in Association Theories with Applications to Oil & Gas and Chemical Industries

Les théories d'association et le phénomène de la solvatation : application aux industries du pétrole et du gaz, et à la pétrochimie

Centre for Phase Equilibria and Separation Processes (IVC-SEP), Department of Chemical Engineering, Technical University of Denmark, Building 229, 2800 Lyngby -Denmark

Corresponding authors: gk@kt.dtu.dk georgios.folas@akersolutions.com NRM@ramboll.dk FERO@cowi.dk mlm@kt.dtu.dk

Abstract

Association theories e.g. those belonging to the SAFT family account explicitly for self- and cross-association (solvation) phenomena. Such phenomena are of great practical importance as they affect, often dramatically, the phase behaviour of many mixtures of industrial relevance. From the scientific point of view, solvation phenomena are also very significant because they are present in different types of mixtures and not just those containing two self-associating compounds e.g. water with alcohols or glycols. Mixtures with only one self-associating compound and in some cases even mixtures with two non self-associating compounds may exhibit solvation specifically due to hydrogen bonding or more generally due to Lewis acid-Lewis base interactions. As examples can be mentioned mixtures with polar compounds (water, glycols...) and aromatic hydrocarbons and aqueous ether or ester solutions. This manuscript presents how a specific association thermodynamic model, which employs SAFT's association term, the so-called CPA (Cubic-Plus-Association) equation of state, can be applied in order to account for various types of interactions due to solvation. The role of combining rules in the association term and the cases where explicit treatment of solvation is needed will be illustrated.

Résumé

Les théories de l'association issues de la famille des équations SAFT (Self Associating Fluid Theory) expriment explicitement le phénomène de l'autoassociation ainsi que de l'association croisée. Ces phénomènes ont une grande importance pratique car ils ont un effet souvent majeur sur l'équilibre de phases de nombreux mélanges d'intérêt industriel. D'un point de vue scientifique, le phénomène de la solvatation est également beaucoup étudié car il intervient dans de nombreux types de mélange, et non seulement ceux contenant des composants auto-associés comme les mélanges de l'eau avec les alcools ou les glycols. Des mélanges ne contenant qu'un seul composé auto-associé, voire aucun, peuvent néanmoins présenter une solvatation spécifique liée à la formation de liaisons hydrogène ou, de manière plus générale, à des interactions de type acide – base de Lewis. Comme exemple, on peut mentionner les mélanges avec un composé polaire (eau, glycol...) et des hydrocarbures aromatiques ou des solutions aqueuses d'éthers ou d'esters. Ce manuscrit décrit comment le modèle dit “CPA” (Cubic Plus Association), qui contient un terme spécifique pour l'association, issu de l'équation SAFT, peut être utilisé pour rendre compte de différents types d'interactions de solvatation. Le rôle des règles de combinaison dans le terme associatif et les cas où la solvatation doit être traitée explicitement sont illustrés.