In this work, we present two open literature databases, the VT-2005 Sigma Profile Database and the VT-2006 Solute Sigma Profile Database, that contain sigma profiles for 1,645 unique compounds. A sigma profile is a molecular-specific distribution of the surface-charge density, which enables the application of solvation-thermodynamic models to predict vapor-liquid and solid-liquid equilibria, and other properties. The VT-2005 Sigma Profile Database generally focuses on solvents and small molecules, while the VT-2006 Solute Sigma Profile Database primarily consists of larger, pharmaceutical-related solutes. We design both of these databases for use with the conductor-like screening model−segment activity coefficient (COSMO-SAC), a liquid-phase activity-coefficient model. The databases contain the necessary information to perform binary and multicomponent VLE and SLE predictions. We offer detailed tutorials and procedures for use with our programs so the reader may also use their own research on our research group website (www.design.che.vt.edu). We validate the VT-2005 Sigma Profile Database by pure component vapor pressure predictions and validate the VT-2006 Solute Sigma Profile Database by solid solubility predictions in pure solvents compared with literature data from multiple sources. Using both databases, we also explore the application of COSMO-SAC to solubility predictions in mixed solvents. This work also studies the effects of conformational isomerism on VLE and SLE property prediction. Finally, we compare COSMO-SAC solubility predictions to solubility predictions by the Non-Random Two-Liquid, Segment Activity Coefficient (NRTL-SAC) model. We find UNIFAC is a more accurate method for predicting VLE behavior than the COSMO-SAC model for many of the systems studied, and that COSMO-SAC predicts solute mole fraction in pure solvents with an average root-mean-squared error (log10(xsol)) of 0.74, excluding outliers, which is greater than the RMS error value of 0.43 using the NRTL-SAC model. / Master of Science

This thesis describes the results of two process system engineering studies: (1) hydrogen pinch analysis; and (2) application of COSMO-SAC (conductor-like screening model – segment activity coefficient) to electrolytes. Part (1) presents an automated spreadsheet method that can quickly help minimize fresh hydrogen consumption and maximize hydrogen recovery and reuse in petroleum refineries and petrochemical complexes. Part (1) has appeared as a featured article on engineering practice in the Chemical Engineering Magazine, volume 115, pp. 56-61, June 2008. We present an automated spreadsheet on our research group website (www.design.che.vt.edu) and describe procedures for using the spreadsheet in this thesis. Part (2) discusses the application of the conductor-like screening model – segment activity coefficient (COSMO-SAC), a liquid-phase activity-coefficient model, to electrolytes. We offer detailed procedure for obtaining sigma profiles for electrolytes. A sigma profile is a molecular-specific probability distribution of the surface-charge density, which enables the application of solvation-thermodynamic models to predict vapor-liquid and solid-liquid equilibria, and other properties. We propose to add an additional term to the exchange energy to account for ion-ion attractive and repulsive forces. We also look at the resulting exchange energy behavior. Although accurate numerical results are not achieved, we are able to produce results that match literature data by adding an adjustment factor. / Master of Science

A biomassa lignocelulósica representa uma matéria-prima atrativa para obtenção de produtos químicos, sendo possível obter diversas moléculas de interesse industrial a partir de sua degradação. Dentre estas moléculas, o ácido levulínico tem obtido considerável atenção de grupos de pesquisa pois é considerado um building block para síntese de diversas moléculas. Entretanto, sua difícil separação do meio reacional e os baixos rendimentos obtidos inviabilizam sua produção em escala comercial. O processo de extração líquido-líquido pode ser uma abordagem eficaz para resolver estas limitações. A transferência do ácido levulínico do meio aquoso para um solvente orgânico evita o contato do ácido com o catalisador, minimizando possíveis reações paralelas e facilita posteriores processos de separação. A escolha do solvente adequado é de extrema importância para o desenvolvimento de processos de extração. O presente trabalho teve como objetivo identificar potenciais solventes para o processo de extração do ácido levulínico do meio reacional. Para isso, o modelo termodinâmico COSMO-SAC foi utilizado para a estimativa inicial do coeficiente de partição em trinta e um diferentes solventes orgânicos. Os solventes 2-tert-butilfenol, metil-isobutil-cetona (MIBC) e 2-heptanona apresentaram os maiores coeficientes de partição do ácido levulínico na fase orgânica. Contudo, o modelo superestimou os valores para o coeficiente de partição quando comparados com os dados experimentais a 25 °C. O desvio na correta predição do modelo foi atribuído a miscibilidade mútua entre as duas fases. Mesmo que pequena, a miscibilidade mútua foi capaz de alterar a atividade do ácido levulínico na fase aquosa e consequentemente a alterar os valores do coeficiente de partição. / Lignocellulosic biomass represents an attractive raw material for chemical products, as several molecules of industrial interest can be obtained from its degradation. Among those molecules, levulinic acid has gained considerable attention from researchers, as it can be used as building block to synthetize different molecules. However, the difficulty of separating it from the aqueous media and the low yield of its synthesis hinder its commercial production. The liquid-liquid extraction process may be an effective approach to overcome these limitations. The transfer of the levulinic acid from the aqueous medium to an organic phase avoids the contact of the acid with the acid catalyst, minimizing parallel reactions and simplifying the subsequent separation process. Solvent choice is of utmost importance for extraction processes development. The present work aimed to identify potential solvents for the liquid-liquid extraction of levulinic acid from the aqueous reaction medium. For this purpose, the COSMO-SAC thermodynamic model was used for initial estimation of the partition coefficient of levulinic acid in thirty-one different organic solvents. The solvents 2-tert-butylphenol, methyl isobutyl ketone (MIBK) and 2-heptanone resulted in the highest partition of levulinic acid in the organic phase. However, the model overestimated the partition coefficient values when compared with experimental data at 25 ºC. The failure in the correct prediction of the model was ascribed to the mutual solubilities between the two phases. Even though small, these mutual solubilities shift levulinic acid activity in the aqueous phase, and consequently affect partition coefficient values.

Modelos de atividade baseados em COSMO se apresentam como uma interessante alternativa para a predição do comportamento de substâncias em mistura. Estes modelos dependem apenas de informações das substâncias puras, como volume e área superficial e outra informação conhecida como perfil sigma, que podem ser determinados através de cálculos de química quântica computacional. O presente trabalho tem por objetivo criar e disponibilizar gratuitamente um banco de dados de perfis sigma para um vasto conjunto de moléculas utilizando o software GAMESS. Para a criação desse banco de dados com informações confiáveis de perfis sigma, foram testados diferentes níveis de teoria para o cálculo da estrutura eletrônica das moléculas, bem como conjuntos de bases distintos, considerando funções de polarização e efeitos difusos. Para realizar a validação dos perfis sigma obtidos, foram estimados valores de coeficientes de atividade em diluição infinita, obtidos através do modelo COSMO-SAC para um conjunto de 689 misturas, as quais não apresentam ligação de hidrogênio. A correlação com os valores de coeficiente de atividade em diluição infinita (IDAC) experimentais, foram construídos gráficos do logaritmo natural de IDAC experimentais e aqueles calculados pelo modelo. O tempo computacional total para obter os perfis sigma também foi avaliado com o intuito de escolher a melhor combinação de teoria e função de base. Dentre os métodos analisados, a teoria de Hartree-Fock (HF) com a função de base 6-311G(d,p) apresentou um bom custo benefício no que se refere ao tempo computacional e a precisão dos resultados frente a dados experimentais, apresentando um coeficiente de determinação superior a 0,94. A partir desses resultados, foi possível criar outros perfis sigma para um número maior de moléculas e disponibilizar essas informações em um banco de dados criado na plataforma do GitHub. / COSMO-based activity coefficient models are widely used to predict non-ideality in mixtures. They require only pure substance properties, such as the -profile, a representation of the screening charge density along the molecular surface. The present work aims to create and freely distribute a -profile database which can be easily extended by the community using the free GAMESS quantum chemistry (QC) package. Different combinations of QC methods and basis sets were tested in the calculation of the -profiles, aiming to define an efficient approach to create the database. The accuracy of COSMO-SAC predictions using these -profiles was evaluated by comparison with experimental infinite dilution activity coefficients and phase equilibrium diagrams. Among the studied alternatives, the Hartree-Fock method with the 6-311G(d,p) basis set led to results with a good balance between accuracy and computational cost. Our database was created using this approach, and it is already available to be used and extended by the community without requiring any commercial software.

Modelos de atividade baseados em COSMO se apresentam como uma interessante alternativa para a predição do comportamento de substâncias em mistura. Estes modelos dependem apenas de informações das substâncias puras, como volume e área superficial e outra informação conhecida como perfil sigma, que podem ser determinados através de cálculos de química quântica computacional. O presente trabalho tem por objetivo criar e disponibilizar gratuitamente um banco de dados de perfis sigma para um vasto conjunto de moléculas utilizando o software GAMESS. Para a criação desse banco de dados com informações confiáveis de perfis sigma, foram testados diferentes níveis de teoria para o cálculo da estrutura eletrônica das moléculas, bem como conjuntos de bases distintos, considerando funções de polarização e efeitos difusos. Para realizar a validação dos perfis sigma obtidos, foram estimados valores de coeficientes de atividade em diluição infinita, obtidos através do modelo COSMO-SAC para um conjunto de 689 misturas, as quais não apresentam ligação de hidrogênio. A correlação com os valores de coeficiente de atividade em diluição infinita (IDAC) experimentais, foram construídos gráficos do logaritmo natural de IDAC experimentais e aqueles calculados pelo modelo. O tempo computacional total para obter os perfis sigma também foi avaliado com o intuito de escolher a melhor combinação de teoria e função de base. Dentre os métodos analisados, a teoria de Hartree-Fock (HF) com a função de base 6-311G(d,p) apresentou um bom custo benefício no que se refere ao tempo computacional e a precisão dos resultados frente a dados experimentais, apresentando um coeficiente de determinação superior a 0,94. A partir desses resultados, foi possível criar outros perfis sigma para um número maior de moléculas e disponibilizar essas informações em um banco de dados criado na plataforma do GitHub. / COSMO-based activity coefficient models are widely used to predict non-ideality in mixtures. They require only pure substance properties, such as the -profile, a representation of the screening charge density along the molecular surface. The present work aims to create and freely distribute a -profile database which can be easily extended by the community using the free GAMESS quantum chemistry (QC) package. Different combinations of QC methods and basis sets were tested in the calculation of the -profiles, aiming to define an efficient approach to create the database. The accuracy of COSMO-SAC predictions using these -profiles was evaluated by comparison with experimental infinite dilution activity coefficients and phase equilibrium diagrams. Among the studied alternatives, the Hartree-Fock method with the 6-311G(d,p) basis set led to results with a good balance between accuracy and computational cost. Our database was created using this approach, and it is already available to be used and extended by the community without requiring any commercial software.

Modelos de atividade baseados em COSMO se apresentam como uma interessante alternativa para a predição do comportamento de substâncias em mistura. Estes modelos dependem apenas de informações das substâncias puras, como volume e área superficial e outra informação conhecida como perfil sigma, que podem ser determinados através de cálculos de química quântica computacional. O presente trabalho tem por objetivo criar e disponibilizar gratuitamente um banco de dados de perfis sigma para um vasto conjunto de moléculas utilizando o software GAMESS. Para a criação desse banco de dados com informações confiáveis de perfis sigma, foram testados diferentes níveis de teoria para o cálculo da estrutura eletrônica das moléculas, bem como conjuntos de bases distintos, considerando funções de polarização e efeitos difusos. Para realizar a validação dos perfis sigma obtidos, foram estimados valores de coeficientes de atividade em diluição infinita, obtidos através do modelo COSMO-SAC para um conjunto de 689 misturas, as quais não apresentam ligação de hidrogênio. A correlação com os valores de coeficiente de atividade em diluição infinita (IDAC) experimentais, foram construídos gráficos do logaritmo natural de IDAC experimentais e aqueles calculados pelo modelo. O tempo computacional total para obter os perfis sigma também foi avaliado com o intuito de escolher a melhor combinação de teoria e função de base. Dentre os métodos analisados, a teoria de Hartree-Fock (HF) com a função de base 6-311G(d,p) apresentou um bom custo benefício no que se refere ao tempo computacional e a precisão dos resultados frente a dados experimentais, apresentando um coeficiente de determinação superior a 0,94. A partir desses resultados, foi possível criar outros perfis sigma para um número maior de moléculas e disponibilizar essas informações em um banco de dados criado na plataforma do GitHub. / COSMO-based activity coefficient models are widely used to predict non-ideality in mixtures. They require only pure substance properties, such as the -profile, a representation of the screening charge density along the molecular surface. The present work aims to create and freely distribute a -profile database which can be easily extended by the community using the free GAMESS quantum chemistry (QC) package. Different combinations of QC methods and basis sets were tested in the calculation of the -profiles, aiming to define an efficient approach to create the database. The accuracy of COSMO-SAC predictions using these -profiles was evaluated by comparison with experimental infinite dilution activity coefficients and phase equilibrium diagrams. Among the studied alternatives, the Hartree-Fock method with the 6-311G(d,p) basis set led to results with a good balance between accuracy and computational cost. Our database was created using this approach, and it is already available to be used and extended by the community without requiring any commercial software.

A biomassa lignocelulósica representa uma matéria-prima atrativa para obtenção de produtos químicos, sendo possível obter diversas moléculas de interesse industrial a partir de sua degradação. Dentre estas moléculas, o ácido levulínico tem obtido considerável atenção de grupos de pesquisa pois é considerado um building block para síntese de diversas moléculas. Entretanto, sua difícil separação do meio reacional e os baixos rendimentos obtidos inviabilizam sua produção em escala comercial. O processo de extração líquido-líquido pode ser uma abordagem eficaz para resolver estas limitações. A transferência do ácido levulínico do meio aquoso para um solvente orgânico evita o contato do ácido com o catalisador, minimizando possíveis reações paralelas e facilita posteriores processos de separação. A escolha do solvente adequado é de extrema importância para o desenvolvimento de processos de extração. O presente trabalho teve como objetivo identificar potenciais solventes para o processo de extração do ácido levulínico do meio reacional. Para isso, o modelo termodinâmico COSMO-SAC foi utilizado para a estimativa inicial do coeficiente de partição em trinta e um diferentes solventes orgânicos. Os solventes 2-tert-butilfenol, metil-isobutil-cetona (MIBC) e 2-heptanona apresentaram os maiores coeficientes de partição do ácido levulínico na fase orgânica. Contudo, o modelo superestimou os valores para o coeficiente de partição quando comparados com os dados experimentais a 25 °C. O desvio na correta predição do modelo foi atribuído a miscibilidade mútua entre as duas fases. Mesmo que pequena, a miscibilidade mútua foi capaz de alterar a atividade do ácido levulínico na fase aquosa e consequentemente a alterar os valores do coeficiente de partição. / Lignocellulosic biomass represents an attractive raw material for chemical products, as several molecules of industrial interest can be obtained from its degradation. Among those molecules, levulinic acid has gained considerable attention from researchers, as it can be used as building block to synthetize different molecules. However, the difficulty of separating it from the aqueous media and the low yield of its synthesis hinder its commercial production. The liquid-liquid extraction process may be an effective approach to overcome these limitations. The transfer of the levulinic acid from the aqueous medium to an organic phase avoids the contact of the acid with the acid catalyst, minimizing parallel reactions and simplifying the subsequent separation process. Solvent choice is of utmost importance for extraction processes development. The present work aimed to identify potential solvents for the liquid-liquid extraction of levulinic acid from the aqueous reaction medium. For this purpose, the COSMO-SAC thermodynamic model was used for initial estimation of the partition coefficient of levulinic acid in thirty-one different organic solvents. The solvents 2-tert-butylphenol, methyl isobutyl ketone (MIBK) and 2-heptanone resulted in the highest partition of levulinic acid in the organic phase. However, the model overestimated the partition coefficient values when compared with experimental data at 25 ºC. The failure in the correct prediction of the model was ascribed to the mutual solubilities between the two phases. Even though small, these mutual solubilities shift levulinic acid activity in the aqueous phase, and consequently affect partition coefficient values.

Solvation-thermodynamics models based on computational quantum mechanics, such as the conductor-like screening model (COSMO), provide a good alternative to traditional group-contribution methods for predicting thermodynamic phase behavior. Two COSMO-based thermodynamic models are COSMO-RS (real solvents) and COSMO-SAC (segment activity coefficient). The main molecule-specific input for these models is the sigma profile, or the probability distribution of a molecular surface segment having a specific charge density. Generating the sigma profiles represents the most time-consuming and computationally expensive aspect of using COSMO-based methods. A growing number of scientists and engineers are interested in the COSMO-based thermodynamic models, but are intimidated by the complexity of generating the sigma profiles. This thesis presents the first free, open-literature database of 1,513 self-consistent sigma profiles, together with two validation examples. The offer of these profiles will enable interested scientists and engineers to use the quantum-mechanics-based, COSMO methods without having to do quantum mechanics. This thesis summarizes the application experiences reported up to October 2004 to guide the use of the COSMO-based methods. Finally, this thesis also provides a FORTRAN program and a procedure to generate additional sigma profiles consistent with those presented here, as well as a FORTRAN program to generate binary phase-equilibrium predictions using the COSMO-SAC model. / Master of Science

This thesis presents a multiscale model of an industrial nylon-6 leacher. We develop several models at various spatial scales and implement them together in a simplistic, efficient way to develop an overall leacher model. We solve dynamic transport differential equations using the finite-volume method and method of lines in an in-house-developed FORTRAN program. We use the ODEPACK package of ordinary differential equation (ODE) solvers to solve our system of coupled ODEs. Our multiscale model performs transport, thermodynamic, physical property, and mass-transfer calculations at a finite-volume scale. We introduce two additional scales: a mesoscale, in which we perform computational fluid dynamic (CFD) simulations, and a molecular scale. Our CFD simulations solve for turbulent properties of fluid flowing over a packed bed. We incorporate the turbulent diffusivity of the fluid into our finite-volume leacher model. We perform molecular simulations and use the conductor-like screening model-segment activity coefficient (COSMO-SAC) model to generate solubility predictions of small, cyclic oligomers in water and ε-caprolactam. Additionally, we develop an extension of COSMO-SAC to model polymer species, which we refer to as Polymer-COSMO-SAC, and apply it to solve liquid-liquid equilibrium equations. We present a unique methodology to apply COSMO-based models to polymer species, which shows reasonable results for nylon-6. Because of the computational intensity of our Polymer-COSMO-SAC liquid-liquid equilibrium algorithm, we generate pre-computed tables of equilibrium predictions that we may import into our leacher model. Our integration of multiscale models maximizes efficiency and feasibility with accuracy. We are able to use our multiscale models to estimate necessary parameters, but we need to fit two mass-transfer related parameters to industrial data. We validate our model against the plant data and find average-absolute errors in the final mass percent of ε-caprolactam and cyclic dimer in polymer chips of 25.0% and 54.7%, respectively. Several plant data sets are suspected outliers and we believe an unforeseen equilibrium limitation may cause this discrepancy. If we remove these outlying data sets, we then find average-absolute errors of 7.5% and 19.3% for ε-caprolactam and cyclic dimer, respectively. We then use our validated model to perform application and sensitivity studies to gain critical insight into the leacher's operating conditions. / Master of Science

Made available in DSpace on 2014-12-17T15:01:30Z (GMT). No. of bitstreams: 1 JessicaCSLM_DISSERT.pdf: 2011571 bytes, checksum: 8e087d35d6e4c83d4f7eda24cd8d3e57 (MD5) Previous issue date: 2012-09-21 / Anhydrous ethanol is used in chemical, pharmaceutical and fuel industries. However, current processes for obtaining it involve high cost, high energy demand and use of toxic and pollutant solvents. This problem occurs due to the formation of an azeotropic mixture of ethanol + water, which does not allow the complete separation by conventional methods such as simple distillation. As an alternative to currently used processes, this study proposes the use of ionic liquids as solvents in extractive distillation. These are organic salts which are liquids at low temperatures (under 373,15 K). They exhibit characteristics such as low volatility (almost zero/ low vapor ), thermal stability and low corrosiveness, which make them interesting for applications such as catalysts and as entrainers. In this work, experimental data for the vapor pressure of pure ethanol and water in the pressure range of 20 to 101 kPa were obtained as well as for vapor-liquid equilibrium (VLE) of the system ethanol + water at atmospheric pressure; and equilibrium data of ethanol + water + 2-HDEAA (2- hydroxydiethanolamine acetate) at strategic points in the diagram. The device used for these experiments was the Fischer ebulliometer, together with density measurements to determine phase compositions. The experimental data were consistent with literature data and presented thermodynamic consistency, thus the methodology was properly validated. The results were favorable, with the increase of ethanol concentration in the vapor phase, but the increase was not shown to be pronounced. The predictive model COSMO-SAC (COnductor-like Screening MOdels Segment Activity Coefficient) proposed by Lin & Sandler (2002) was studied for calculations to predict vapor-liquid equilibrium of systems ethanol + water + ionic liquids at atmospheric pressure. This is an alternative for predicting phase equilibrium, especially for substances of recent interest, such as ionic liquids. This is so because no experimental data nor any parameters of functional groups (as in the UNIFAC method) are needed / O etanol anidro tem ampla aplica??o em ind?strias qu?mica, farmac?utica e de combust?veis. No entanto, os processos atuais para a sua obten??o envolvem custo elevado, alta demanda de energia e a utiliza??o de solventes t?xicos e poluentes. Esse problema ocorre devido ? forma??o de aze?tropo na mistura etanol + ?gua, n?o permitindo a separa??o completa por m?todos convencionais tais como destila??o simples. Como uma alternativa aos processos atualmente utilizados, este estudo prop?e a utiliza??o de l?quidos i?nicos como agentes na destila??o extrativa. Trata-se de sais org?nicos l?quidos a baixas temperaturas (abaixo de 373,15 K). Suas caracter?sticas, tais como baixa volatilidade (press?o de vapor muito baixa), estabilidade t?rmica e baixa corrosividade os tornam interessantes para aplica??es como catalisadores e solventes. Neste trabalho, dados experimentais de press?o de vapor de etanol e ?gua puros na faixa de press?o de 20 a 101 kPa, assim como dados de equil?brio l?quido-vapor(ELV) do sistema etanol + ?gua a press?o atmosf?rica, e dados de equil?brio do sistema etanol + ?gua + 2-HDEAA (acetato de 2-hidrodietanolamina) foram obtidos em pontos estrat?gicos do diagrama. O dispositivo usado para esses experimentos foi o ebuliometro de Fischer, juntamente com medidas de densidade para determinar a composi??o das fases. Os dados obtidos apresentaram coer?ncia com dados da literatura e consist?ncia termodin?mica, desta forma, a metodologia foi devidamente validada. Os resultados foram favor?veis, com o aumento da concentra??o de etanol na fase vapor, por?m o aumento n?o demonstrou ser elevado. O modelo preditivo COSMO-SAC (COnductor-like Screening MOdels Segment Activity Coefficient), desenvolvido por Lin e Sandler (2002), foi aplicado para os c?lculos de predi??o de Equil?brio L?quido-Vapor do sistema etanol + ?gua com l?quido i?nico a press?o atmosf?rica. Essa ? uma alternativa para a previs?o do equil?brio de fases, especialmente para subst?ncias de interesse recente, tais como l?quidos i?nicos, uma vez que nem dados experimentais, nem par?metros de grupos funcionais (como no m?todo UNIFAC) s?o necess?rios