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metadata.dc.type: Dissertação
Issue Date: 10-Mar-2015
metadata.dc.creator: GOMES NETO, Abel Ferreira
metadata.dc.contributor.advisor1: MACHADO, Nelio Teixeira
metadata.dc.contributor.advisor-co1: CHAVES NETO, Antonio Maia de Jesus
Title: Teoria do funcional de densidade aplicada a reatividade química de combustíveis e biocombustíveis na fase gasosa: gasolina, etanol e gasolina-etanol
metadata.dc.description.sponsorship: CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior
Citation: GOMES NETO, Abel Ferreira. Teoria do funcional de densidade aplicada a reatividade química de combustíveis e biocombustíveis na fase gasosa: gasolina, etanol e gasolina-etanol. 2015. 99 f. Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal do Pará, Instituto de Tecnologia, Belém, 2015. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química.
metadata.dc.description.resumo: Nós realizamos um estudo teórico utilizando a Teoria do Funcional de Densidade, com o funcional B3LYP e o conjunto de base 6-311++g(d,p) para calcular propriedades termodinâmicas dos seguintes combustíveis e biocombustíveis: gasolina, etanol e a mistura gasolina-etanol, todos em fase gasosa. As simulações foram efetuadas através dos softwares Gaussian 09W e Hyperchem 7.5 e permitiram a obtenção de propriedades dos combustíveis, as quais, foram calculadas a partir da média ponderada das propriedades de cada um de seus componentes majoritários, considerando as frações mássicas dos componentes de dois tipos de gasolina, um tipo Padrão e outro comercial Regular. As simulações foram realizadas para várias temperaturas na faixa de 0,5K - 1500K e sob a pressão de 1atm, utilizando o Modelo do Contínuo Polarizável para simular sistemas solvatados de cada componente. Foram realizadas simulações de análise conformacional, otimização de geometria molecular e cálculos de frequências Raman e Infravermelho, onde foi possível obter resultados às grandezas físicas associadas à reatividade química e ao poder calorífico dos combustíveis durante a etapa de injeção na câmara de combustão. Também foi possível comprovar e quantificar algumas características importantes dos combustíveis, como por exemplo, o alto potencial antidetonação que o etanol apresenta quando comparado à gasolina, bem como a influência causada pelo etanol quando misturado à gasolina. Estas comparações foram feitas a partir do estudo dos potenciais termodinâmicos (energia interna, entalpia e energia livre de Gibbs) obtidos durante as simulações. Além destas propriedades foram calculas a taxa de variação da energia livre de Gibbs em relação à temperatura, o calor específico a pressão constante e a entropia dos componentes majoritários. Esta metodologia foi reproduzida utilizando os métodos computacionais semi-empíricos PM3 e PM6, com a finalidade de comparar sua precisão e o custo computacional dos mesmos no estudo de combustíveis, aos resultados obtidos a partir do funcional B3LYP. Verificamos que os métodos semi-empiricos apresentam precisão tão boa quanto o funcional B3LYP nos cálculos de propriedades termodinâmicas dos componentes majoritários, porém com um custo computacional significativamente menor, possibilitando que este trabalho se apresente como uma metodologia bastante eficaz para a caracterização termodinâmica de combustíveis e biocombustíveis na fase gasosa quando os mesmos são injetados na câmara de combustão.
Abstract: We performed a theoretical study using the Density Functional Theory, with the B3LYP functional and the basis set 6-311 ++ g (d,p) to calculate thermodynamic properties of the following fuels and biofuels: gasoline, ethanol and gasoline-ethanol mixture, all in gas phase. The simulations were performed using the Gaussian 09W and Hyperchem 7.5 softwares and allowed obtaining fuel properties, witch, were calculated from the weighted average for the properties to each of its major components, considering the mass fractions of components of two kinds of gasoline, a Standard kind and other commercial Regular. The simulations were performed at various temperatures in the range 0.5K - 1500K and under pressure of 1 atm, using continuous polarizable model to simulate solvated systems with each component. Conformational search, optimization and frequency calculations (Raman and Infrared) were simulated were performed, where, was possible obtain physical quantities associated with the chemical reactivity and the calorific value of the fuel during injection phase in combustion chamber. It was also possible to prove and quantify some relevant characteristics of the fuels, such as, The high antiknock potential of ethanol when it is compared to the gasoline, as well as the influence caused for the ethanol when blended with gasoline. These comparisons were made from the study of thermodynamic potentials (internal energy, enthalpy and Gibbs free energy) obtained during the simulations. In addition to these properties, were calculated the rate-change of Gibbs free energy in relation to temperature, specific heat at constant pressure and entropy of major components. This methodology has been reproduced using the PM3 and PM6 semi-empirical computational methods with the purpose of comparing its accuracy and computational cost to the study fuels, to results obtained from the B3LYP functional. We found that semi-empirical methods can generate results with a good precision for calculations of thermodynamic properties of major components, as such as, functional B3LYP showed, but with a computational cost far lower enabling this work presents itself as a methodology quite effective for the thermodynamic characterization of fuels and biofuels in the gas phase, when they are injected into the combustion chamber.
Keywords: Combustíveis
Biocombustíveis
Reatividade (Química)
Densidade funcional
Propriedades térmicas
Etanol
Gasolina
Gasolina-Etanol
Teoria do funcional de densidade
metadata.dc.subject.cnpq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA
metadata.dc.publisher.country: Brasil
Publisher: Universidade Federal do Pará
metadata.dc.publisher.initials: UFPA
metadata.dc.publisher.department: Instituto de Tecnologia
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química
metadata.dc.rights: Acesso Aberto
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