PROGRAMA JAVA PARA ESTIMATIVAS DE PROPRIEDADES TERMOFÍSICAS POR CONTRIBUIÇÃO DE GRUPOS FUNCIONAIS

Transcrição

1 PROGRAMA JAVA PARA ESTIMATIVAS DE PROPRIEDADES TERMOFÍSICAS POR CONTRIBUIÇÃO DE GRUPOS FUNCIONAIS L. G. Oliveira, J. C. Rocha, S. P. Nascimento, J. A. Cavalcante, N. A. Costa Universidade Federal da Paraíba, Departamento de Engenharia Química para contato: RESUMO O presente trabalho tem por obetivo apresentar um programa JAVA para estimativas de propriedades termoísicas (propriedades críticas, temperatura normal de ebulição, temperatura de usão, capacidade caloríica a pressão constante, entalpia de ormação e energia livre de Gibbs de ormação) usando grupos uncionais. O proeto do programa oi dividido em quatro partes: a) banco de dados contendo os parâmetros do modelo de contribuição de grupos uncionais, b) criação de caixas de diálogos para interação do usuário com o programa, c) codiicações de subprogramas JAVA para as estimativas das propriedades termoísicas e d) validação dos resultados ornecidos pelo programa. O resultado inal é um aplicativo, para ins educacionais e/ou comerciais, capaz de ornecer estimativas das propriedades termoísicas das espécies por contribuição de grupos uncionais com rapidez e coniabilidade. 1. INTRODUÇÃO Os cálculos dos processos químicos, análises e proetos requerem propriedades características de uma substância pura, tais como: propriedades críticas; temperatura normal de ebulição; temperatura de usão e propriedades de gases ideais (capacidade caloríica e propriedades de ormação). Em vários casos, estes dados não são disponíveis, tornando-se necessárias predições dessas propriedades. Nos métodos de contribuições de grupos uncionais, as propriedades de uma substância são consideradas como sendo a soma das contribuições individuais de cada grupo estrutural, tais como: -CH 3, >CH 2, - OH e outros que, quando adicionados, ormam a molécula. Atualmente várias propriedades são preditas através dos métodos de contribuição de grupos uncionais: coeiciente de atividade; propriedades críticas; pressão de vapor; entalpia de vaporização; propriedades dos gases ideais; viscosidade e tensão supericial. JAVA é uma linguagem de programação orientada a obetos, de alto nível que permite o rápido desenvolvimento de aplicações com interace gráica. Sua escolha se deve à disponibilidade para as principais plataormas do mercado (Windows, Mac OS X, Linux) e acilidade de desenvolvimento. Após a compilação de um aplicativo JAVA é gerado um executável que pode ser executado em qualquer plataorma com suporte a linguagem JAVA e seus toolkits. Essa característica é possível pelo ato de que a aplicação JAVA é executada sobre uma máquina virtual, a JVM (Java Virtual Machine).

2 1.1. Contribuição de Grupos Reid et al. (1987), Poling et al. (2001) e Tester e Modell (1997) descrevem as equações e os parâmetros desenvolvidos por Joback e modiicados por Lyndersen para a contribuição dos grupos uncionais que predizem propriedades termoísicas descritas abaixo. Temperatura crítica: T T 0,584 0,965 é a temperatura normal de ebulição. c b T T Pressão crítica: P 0,113 0, 0032n de átomos da molécula. Volume crítico: V 17,5 v c A P c V 2 1, onde T c em K e T b 2, onde V c em cm³/mol; Temperatura normal de ebulição: T 178 v Temperatura de usão: T 122 v T b Tb, onde T em Kelvin;, onde P c em bar e n A é o número, onde T b em Kelvin kj/mol Energia livre de Gibbs de ormação: G 53,88 v G, onde em G Entalpia de ormação: H 68, 29 n H, onde em kj/mol; H Capacidade caloríica a pressão constante: CP A BT CT DT, onde C P em J/mol.K. Os coeicientes da Equação (8) são obtidos por contribuição de grupos uncionais através das seguintes relações: Coeicientes: A v a 37,93; B v b 0, 210 ; D n 2,06x10 d 7 4 c 3,91 10 e C n x, onde é a quantidade de grupos uncionais na molécula. As constantes características dos grupos uncionais T, P, V, Tb, T, G, H, a, b, c e d são ornecidas por Reid et al. (1987) e Poling et al. (2001). 2. METODOLOGIA

3 A metodologia adotada para o desenvolvimento dos subprogramas JAVA é esquematizada na Figura 1. Figura 1 Contribuição de Grupos Funcionais Temperatura crítica Pressão crítica Volume crítico crítico Contribuição de Grupos Funcionais Temperatura normal de ebulição Temperatura de usão Entalpia de ormação Energia livre de Gibbs de ormação Constantes da capacidade caloríica 2.1. Esquema do desenvolvimento do aplicativo Na Figura 2 é mostrada a anela principal do aplicativo desenvolvido em Java. Figura 2 Janela principal do aplicativo Java

4 2.2 Descrições das opções da anela principal Opção dados permite o acesso ao banco de dados contendo as constantes de 40 grupos uncionais do método de Joback reportadas por Poling et al. (1987) (Figura 3). Opção Salvar: abre a caixa de diálogo mostrada na Figura 4 que permite ao usuário especiicar o local e o nome do arquivo de saída de dados. Figura 3 Banco de dados do aplicativo Figura 4 Salvar resultados

5 Opção Auda: descrição resumida do modelo de contribuição de grupos uncionais de Joback (Figura 5). Opção Sobre: inormações sobre os autores do aplicativo (Figura 6). Figura 5 Resumo do método de Joback Figura 6 Inormações sobre os autores Opção Sair: echa o aplicativo (Figura 2). Lista dos grupos uncionais: apresenta a lista de grupos uncionais do método de Joback (Figura 2). Caixa de texto: permite especiicar a quantidade de cada grupo escolhido (Figura 2). Opção adicionar: permite ao usuário adicionar os grupos uncionais para conigurar a órmula estrutura da espécie química (Figura 2). Opção inalizar cálculo: inaliza os cálculos (Figura 2). Opção limpar: limpa a saída de dados e remove os locais de memória especiicados pelo usuário (Figura 2). 3. VALIDAÇÃO DO APLICATIVO A validação do aplicativo Java desenvolvido para as predições das propriedades termoísicas por contribuição de grupos uncionais oi realizada através da comparação dos valores reportados na literatura mundial com os ornecidos pelo aplicativo desenvolvido. Os valores da literatura (em negrito) oram reportados por: Tester e Modell (1997) para o tolueno e diclorometano e Poling et al. (2001) para o 2-etilenol. Nas Tabelas 1, 2 e 3 são apresentadas, respectivamente, as propriedades críticas e a temperatura normal de ebulição, as propriedades termodinâmicas dos gases ideais e as constantes da capacidade caloríica a pressão constante de gases ideais.

6 Tabela 1 - Propriedades críticas Espécie T b (K) T c (K) P c (bar) V c (cm 3 /mol) Tolueno 386,24 597,7 41,1 319,5 386,24 597,75 41,14 319,5 Diclorometano 297,14 478,55 51,91 189,5 297,14 478,55 51, ,5 2-etilenol 489,74 715,7 44,09 341,5 489,74 715,75 44, ,5 Espécie Tabela 2 - Propriedades termodinâmicas do gás ideal no estado padrão de Literatura (kj/mol) G Aplicativo (kj/mol) H G H Tolueno 48,72 120,47 48,72 120,47 Diclorometano -95,45-66,32-95,45-66,32 2-etilenol -149,23-25,73-149,23-25,73 Tabela 3 - C P = A + BT + CT 2 +DT 3 Espécie A B Cx10 4 Dx10 8 Tolueno -37,38 0,5899-3,88 9,80-37,38 0, ,882 9,76 Diclorometano -62,23 0,1124-7,10 1,90 27,761 0,1124-7,14 1,87 2-etilenol -47,209 0, ,984 2,419-47,209 0, ,9896 2,426 Foram veriicadas as excelentes concordâncias entre os resultados ornecidos pelo aplicativo com os valores reportados na literatura. As pequenas dierenças observadas nos cálculos mostrados ao longo do trabalho são devido às dierenças entre as precisões numéricas utilizadas pelos pesquisadores e pelo aplicativo. Na Tabela 3 ocorreu uma discordância no coeiciente A do diclorometano. Tester e Modell (1997) reporta que o grupo (-CH2-) possui um valor a = -9,09x10-1, o que esta de acordo com REID et al. (1988) e POLING et al. (2001). Entretanto, no cálculo do coeiciente A, os pesquisadores utilizaram a = -9,09x CONCLUSÃO Este trabalho apresenta um aplicativo capaz de ornecer com coniabilidade e rapidez as estimativas de propriedades termoísicas usando a metodologia de contribuição de grupos uncionais. Deve ser observado que a coniabilidade da estimativa de uma determinada propriedade termoísica está associada à eiciência do modelo ornecido pelo pesquisador e não por erros numéricos ou erros de codiicações dos subprogramas VBA. 6. REFERÊNCIAS

7 POLING, B. E.;PRAUSNITZ, J. M.; O CONNELL, J. P. The properties o gases and liquids. McGraw-Hill, Fith Edition, 2001 REID, R. C., PRAUSNITZ, J. M., POLING, B. E. The properties o gases and liquids. McGraw-Hill, Fourth Edition, TESTER, J. W., MODELL, M. Thermodynamics and its Applications. Prentice Hall, 3rd Edition, 1997