Density, refractive index, and derived properties of binary mixtures of water + ionic liquid 1-(2-hydroxyethyl)-3-methylimidazolium tetrafluoroborate

The density and refractive index were experimentally determined for binary mixtures of water + ionic liquid 1-(2-hydroxyethyl)-3-methylimidazolium tetrafluoroborate throughout the ionic liquid mass frac- tion range, at atmospheric pressure and various temperatures between 293.15 K and 323.15 K. The refractive index was measured at five wavelengths between 589.2 nm and 935 nm. From the experimen- tal data on density, volumetric properties such as the excess molar volume and thermal expansion coef- ficient were calculated. The excess molar volume was negative throughout the ionic liquid mass fraction range and its magnitude decreased with temperature. From the experimental data on the refractive index, the deviation in the refractive index and its coefficients of concentration, temperature and chro- matic dispersion were obtained. The values of the deviation in the refractive index were positive and decreased with temperature. In order to simultaneously investigate the dependence of the refractive index on concentration, temperature and wavelength, we correlated the experimental data with a two-term Cauchy equation. Furthermore, a comparative study of 11 refractive index mixing rules was performed to assess their prediction ability. More advanced mixing rules do not lead to any improvement in comparison with the simple linear mixing rule (Arago-Biot) for estimating refractive index and the concentration contrast factor of the mixture studied. The results are expected to be useful for tuning the properties of an ionic liquid by adding water or selecting the temperature or optical region.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Theoretical and experimental study of the absorption process of ammonia in ionic liquids for absorption refrigeration systems

Recentment, s'han proposat líquids iònics com a absorbents alternatius i ajustables per a refrigerants naturals en sistemes de refrigeració per absorció. Tanmateix, l’alta viscositat, la baixa difusivitat de la massa i la manca d’informació fiable sobre les propietats termofísiques de les seves mescles amb aquests refrigerants són limitacions importants per a la seva implementació efectiva. L'objectiu principal d'aquesta tesi és estudiar el procés d'absorció d'amoníac en líquids iònics per determinar l'evolució temporal de la taxa d'absorció i els perfils de concentració en el fluid absorbent. Aquest tipus de dades experimentals són útils per seleccionar líquids iònics adequats com a absorbents d'amoníac en sistemes de refrigeració i bombes de calor d'absorció nous. Els líquids iònics estudiats són: nitrat d’etilamoni (EAN); 1-etil-3-metilimidazoli-tetrafluoroborat ([emim] [BF4]); i 1- butil-3-metil-imidazoli-tetrafluoroborat ([bmim] [BF4]), amb diferents solubilitats i viscositats d'amoníac. El mètode de caiguda de pressió es va implementar per determinar l'evolució temporal de la taxa d'absorció de l'amoníac en les IL seleccionades, al llarg del procés d'absorció. Els experiments d’absorció es van realitzar a una dilució infinita d’amoníac, a la temperatura de 293,15 K i 303,15 K, durant més de 15 hores. La taxa d'absorció determinada d'amoníac a les IL va ser més de 20 vegades menor que a l'aigua.Recientemente, se han propuesto líquidos iónicos como absorbentes ajustables alternativos para refrigerantes naturales en sistemas de refrigeración por absorción. Sin embargo, la alta viscosidad, la baja difusividad de masa y la falta de información confiable sobre las propiedades termofísicas de sus mezclas con estos refrigerantes son limitaciones importantes para su implementación efectiva. El objetivo principal de esta tesis es estudiar el proceso de absorción del amoniaco en líquidos iónicos para determinar la evolución temporal de la tasa de absorción y los perfiles de concentración en el fluido absorbente. Estos tipos de datos experimentales son útiles para seleccionar líquidos iónicos adecuados como absorbentes de amoníaco en nuevos sistemas de refrigeración por absorción y bombas de calor. Los líquidos iónicos estudiados son: nitrato de etilamonio (EAN); Tetrafluoroborato de 1-etil-3-metilimidazolio ([emim] [BF4]); y tetrafluoroborato de 1-butil-3-metil-imidazolio ([bmim] [BF4]), con diferentes solubilidades y viscosidades del amoniaco. Se implementó el Método de Caída de Presión para determinar el tiempo de evolución de la tasa de absorción de amoníaco en los IL seleccionados, a lo largo del proceso de absorción. Los experimentos de absorción se realizaron a dilución infinita de amoniaco, a las temperaturas de 293,15 K y 303,15 K, durante más de 15 horas.Recently, ionic liquids have been proposed as alternative, adjustable absorbents for natural refrigerants in absorption refrigeration systems. However, the high viscosity, low mass diffusivity, and the lack of reliable information on the thermophysical properties of their mixtures with these refrigerants are important limitations for their effective implementation. The main objective of this thesis is to study the absorption process of ammonia in ionic liquids to determine the time evolution of the absorption rate and the concentration profiles in the absorbent fluid. These types of experimental data are useful for selecting ionic liquids suitable as absorbent of ammonia in new absorption refrigeration and heat pump systems. The ionic liquids studied are: ethylammonium nitrate (EAN); 1-ethyl-3-methylimidazolium-tetrafluoroborate ([emim] [BF4]); and 1-butyl-3-methyl-imidazolium-tetrafluoroborate ([bmim][BF4]), with different ammonia solubilities and viscosities. The Pressure Drop Method was implemented to determine the time evolution of the absorption rate of ammonia in the ILs selected, throughout the absorption process. Absorption experiments were performed at infinite dilution of ammonia, at the temperatures of 293.15 K and 303.15 K, during more 15 hours

Viscosity and mass diffusion coefficient of ammonia/ethylammonium nitrate mixtures

Ethylammonium nitrate shows an enhanced ammonia solubility due to the formation of strong hydrogen bonds. This protic ionic liquid also shows negligible vapour pressure and shares many properties with water. These attractive features make it interesting to study the mixtures of ethylammonium nitrate with ammonia for absorption refrigeration systems. This paper reports new experimental data for viscosity and mass diffusion coefficient in ammonia/ethylammonium nitrate mixtures. Measurements were performed using a piston-type viscometer for viscosity, and Optical Digital Interferometry for diffusion coefficients. Viscosity measurements were performed at temperatures between 293.15 K and 353.15 K, over a wide concentration range. Diffusion measurements of ammonia in the ionic liquid were performed at 293.15 K and 303.15 K. Viscosity data and the mass diffusion process were described using a semi-empirical correlation and a non-equilibrium model, respectively. The models show an acceptable deviation from experimental data.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Método experimental para la determinación del coeficiente de difusión mediante interferometría digital óptica

El presente trabajo describe un método experimental para la determinación del coeficiente de difusión de refrigerantes naturales, como el amoniaco en líquidos absorbentes, como el agua, por medio de un interferómetro Mach-Zehnder. Los patrones de franjas formados por las interferencias entre dos haces, uno que atraviesa una muestra y otro una referencia, se visualizan con una cámara digital de alta resolución. El procedimiento utilizado para determinar la diferencia de fase entre los haces del interferómetro se basa en la transformada de Fourier y se llevó a cabo mediante el desarrollo de un código en MATLAB®. Esta diferencia de fase determina el cambio en el índice de refracción de la mezcla amoniaco/agua, a partir del cual se pueden determinar variables relacionadas como la temperatura o la concentración en todo el campo de visión. Dicha información no solo está disponible en estado estacionario, sino que permite monitorear la evolución del campo de concentración en el tiempo. Finalmente, el coeficiente de difusión se determina realizando un análisis inverso del perfil de concentración experimental.Peer ReviewedPostprint (published version

Development of optical digital interferometry for visualizing and modelling the mass diffusion of ammonia in water in an absorption process

This study reports the development and implementation of Optical Digital Interferometry for visualizing and modelling mass diffusion in the absorption process of ammonia in water. Absorption experiments were performed at infinite dilution of ammonia and at 293 K, 303 K, and 313 K. The method developed makes it possible to visualize the development of the mass diffusion layer and determine the evolution of concentration profiles in the ammonia/water mixture, providing new spatio-temporal data on the absorption process. A non-equilibrium model based on Fick’s Second Law was used to describe the mass diffusion process. It was found that the model can successfully reproduce the experimental profiles of the ammonia concentration. The method developed also allows the simultaneous determination of mass diffusivity and mass transfer coefficients from a single experimental test. The values obtained for the mass diffusivity of ammonia in water vary from 1.54 × 10-9 m2 s-1 at 293.1 K to 2.50 × 10-9 m2 s-1 at 313.1 K. The relative deviations between the experimental mass diffusivity and literature values did not exceed 6.0%. The mass transfer coefficient ranges from 2.12 × 10-5 m s-1 at 293.1 K to 4.19 × 10-5 m s-1 at 313.1 K. The results show the potential of Optical Digital Interferometry for the development and validation of heat and mass transfer models used to design components in absorption refrigeration systems.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Factors Affecting the Stability of Crude and TransmissionOil Emulsion Swith Surfactant Solutions

Entre las tecnologías utilizadas para el transporte de petróleo crudo por sistemas de tuberías, se encuentran las emulsiones del mismo con soluciones de tensoactivos. La aplicación de esta técnica requiere que lasemulsiones se mantengan estables durante el período de bombeo y se separen completamente despuésde transportado el crudo. En el presente trabajo se realizaron ensayos experimentales, utilizando diferentesconcentraciones de tensoactivo, tipos de mezclado y condiciones de decantación. Fueron empleadas dossustancias como fase continua: aceite de transmisión y petróleo crudo cubano. Se observó la marcadainfl uencia de la concentración y el tipo de mezclado en la estabilidad de las emulsiones. Los resultadosdemuestran las semejanzas en cuanto a parámetros termohidráulicos de los fl uidos objeto de estudio; lo quepermite inferir el comportamiento aproximado del petróleo crudo cubano emulsionado a partir del trabajoexperimental con aceite de trasmisión.Peer ReviewedPostprint (published version