Predicción de Propiedades a través de Herramientas Computacionales

Transcripción

1 Predicción de Propiedades a través de Herramientas Computacionales Universidad Autónoma Metropolitana Dr. Ricardo Morales Rodríguez 30/04/2014 1

2 Agradecimientos Profesor Rafiqul Gani Technical University of Denmark 2

3 Contenido del Taller Primera parte: Predicción de propiedades Introducción de las bases teóricas para la predicción de propiedades. Ilustración de las funciones principales de programa ProPred Ilustración de herramientas extras de cálculo en ProPred Ejercicio Segunda parte: Selección de solventes Introducción de las bases teóricas para la selección de solventes y diseño de moléculas. Ilustración de las funciones principales de programa ProCAMD Ilustración de herramientas extras de cálculo en ProCAMD Ejercicio Comentarios generales 3

4 Predicción de propiedades utilizando ProPred Universidad Autónoma Metropolitana Iztapalapa Ricardo Morales Rodríguez 30/04/2014 4

5 Contenido Qué es el método de contribución? En qué consiste el método de contribución de grupos? Otras aplicaciones del método de contribución de grupos Cómo se utiliza el paquete computacional? Referencias Bibliográficas 5

6 Qué es el método de contribución? Es un método donde las propiedades de un compuesto es función de parámetros estructuralmente dependientes, las cuales son determinadas por la sumatoria de las ocurrencias de cada uno de grupos involucrados en la molécula. 6

7 Qué es el método de contribución? Ventajas: Rápida predicción de propiedades sin el requerimiento de cálculos computacionales substanciales. Estimación preliminar de propiedades de moléculas no reportadas en la literatura. Desventajas: Necesidad de un banco de datos para la estimación de los parámetros del modelo de contribución de grupos. Al momento, no es posible estimar propiedades en moléculas regidas por principios de estereoisomería 7

8 En qué consiste el método de contribución de grupos? Cómo se imaginan que funciona el método de contribución de grupo?. De qué manera creen que se relacionan las propiedades con la estructura molecular? Con qué ejemplo explicarían la relación entre una propiedad y las diferentes moléculas? 8

9 En qué consiste el método de contribución de grupos? Considera la estructura molecular de un compuesto como la colección de tres tipos de grupos: Grupos de primer orden: Describe grupos simples y monofuncionales. Hidrocarburos alifáticos y aromáticos, alcoholes, fenoles, cetonas, aldehídos, ácidos, aminas, esteres, éteres, anilinas, etc. 9

10 En qué consiste el método de contribución de grupos? Grupos de segundo orden. Utiliza los grupos de primer orden para construir los grupos de segundo orden. Describe las propiedades entre compuestos polares, no polares de moléculas con tamaño mediano (C = 3-6) y compuestos aromáticos y cicloalifáticos con un solo anillo y varios radicales. Describe fragmentos moleculares que no pueden ser adecuadamente descritos por los grupos de primer orden, incrementando la exactitud de la estimación de las propiedades. 10

11 En qué consiste el método de contribución de grupos? Grupos de tercer orden. Descripción de mayor información de los fragmentos de la estructura molecular, los cuales no son bien descritos por los grupos de primero y segundo orden. Permite la descripción de componentes policíclicos y heterocícilicos (C = 7-60) de cadena larga. 11

12 Contribución de grupos: Aplicaciones 12

13 En qué consiste el método de contribución de grupos? f ( X ) NiCi w M jdj z Ok Ek i j k C i N D k i j M E O k Contribución primer orden j Número de ocurrencias de la contribución de primer orden Contribución segundo orden Número de ocurrencias de la contribución de segundo orden Contribución tercer orden Número de ocurrencias de la contribución de tercer orden w Constante de la contribución de segundo orden (0, 1) z Constante de la contribución de tercer orden (0, 1) Tabla 1. Relación de grupos Orden No. Grupos Primer 184 Segundo 122 Tercer 66 13

14 En qué consiste el método de contribución de grupos?: Ejemplo Entalpía estándar de fusión (H fus ) H H fus fus0 N H w M H z O H i fus1i j fus2 j k fus3k i j k Grupo Ocurrencias Contribución CH CH H fus kj mol H fus kj/mol Propred predice H fus kj 5.64 mol Qué sucede aquí? Los parámetros que representan la contribución de los grupos se han ido mejorando con la adición de un mayor banco de datos..!! 14

15 Otras aplicaciones del Método de contribución de grupos Autores Gonzalez-Villalba et al. [2, 3] Díaz-Tovar et al. [4] Satyanarayana et al. [5] Conte et al. [6] Contribuciones en las áreas UNIFAC Ácidos grasos comestibles y en la industria del biodiesel Polímeros Tensión superficial y viscosidad Implementación de los resultados del método de contribución de grupos. Autores Alvarado-Morales et al. [7] Morales-Rodriguez et al. [8] Carvalho et al. [9] Uso de los resultados del método de contribución de grupos Diseño de sustentable una bio-refinería Configuraciones de proceso para la producción de bio-etanol de 2G Re-diseño de procesos (retrofit) y evaluación de alternativas 15

16 MATRIZ UNIFAC [10] 16

17 Cómo se utiliza el paquete computacional? 1. Como abrir el programa. 2. Estimación de propiedades I. Información estructural de la molécula (SMILES: Simplified molecular-input line-entry system). II. Dibujar la molécula. 3. Descripción del menú y barra de herramientas. 4. Extensión en el programa Propred 5. Predicción de propiedades de polímeros 17

18 DIPPR: correlaciones ************************* Solid Density [kmol/m^3] Dippr100 A + B*T + C*T^2 + D*T^3 + E*T^4 ************************* Liquid Density [kmol/m^3] Dippr101 A/B^(1 + (1 - T/C)^D) ************************* Vapour Pressure [Pa] Dippr102 exp(a + B/T + C*ln(T) + D*T^E) ***************************** Heat of Vaporization [J/kmol] Dippr103 A*(1 - Tr)^(B + C*Tr + D*Tr^2) ******************************** Solid Heat Capacity [J/(kmol*K)] Dippr104 A + B*T + C*T^2 + D*T^3 + E*T^4 ********************************** Liquid Heat Capacity [J/(kmol*K)] Dippr105 A + B*T + C*T^2 + D*T^3 + E*T^4 ************************************ Ideal Gas Heat Capacity [J/(kmol*K)] Dippr106 A+B*(C/T/sinh(C/T))^2+D*(E/T/sinh(E/T))^2 ************************************ Second Virial Coefficient [m^3/kmol] Dippr107 A+B/T+C/T^3+D/T^8+E/T^9 *************************** Liquid Viscosity [kg/(m*s)] Dippr108 exp(a+b/t+c*ln(t)+d*t^e) **************************** Vapour Viscosity [kg/(m*s)] Dippr109 A*T^B/(1+C/T+D/T^2) *************************************** Liquid Thermal Conductivity [J/(m*s*K)] Dippr110 A + B*T + C*T^2 + D*T^3 + E*T^4 *************************************** Vapour Thermal Conductivity [J/(m*s*K)] Dippr111 A*T^B/(1+C/T+D/T^2) ************************* Surface Tension [kg/s^2] Dippr112 A*(1-Tr)^(B + C*Tr + D*Tr^2) ************************* 18

19 Ejercicio Se ha sintetizado experimentalmente una molécula cuyo peso molecular es de g/mol. Del laboratorio la única información que se pudo obtener fue el punto de ebullición el cual es de K. Debido a que es un producto de mucho valor en el mercado, es requerido que se realice un análisis de factibilidad de producción de dicho producto. Por lo tanto, se requieren las correlaciones de las siguiente propiedades: Presión de Vapor (K, atm) Densidad (K, kg/m 3 ) Viscosidad (K, Pa s) Capacidad calorífica de gas (K, cal/(mol K)) Capacidad calorífica de líquido (K, cal/(mol K)) Entalpía de vaporización, (K, kcal) O O El proceso de producción del compuesto se lleva a cabo a bajas presiones y a una temperatura de 417 K. 19

20 Referencias Bibliográficas 1. Marrero, J. y Gani, R. (2001). Group Contribution Based of Pure Component Properties. Fluid Phase Equilibria, , Hugo Edson González, Jens Abildskov, Rafiqul Gani. (2007). Computer-aided framework for pure component properties and phase equilibria prediction for organic systems. Fluid Phase Equilibria, Hugo Edson Gonzalez, Jens Abildskov, and Rafiqul Gani. A Method for Prediction of UNIFAC Group Interaction Parameters. Aiche J., Vol. 53, No Carlos Axel Díaz-Tovar, Rafiqul Gani, Bent Sarup. (2011). Lipid technology: Property prediction and process design/analysis in the edible oil and biodiesel industries. Fluid Phase Equilibria, Kavitha C. Satyanarayana, Rafiqul Gani, Jens Abildskov. (2007). Polymer property modeling using grid technology for design of structured products. Fluid Phase Equilibria, 261, Elisa Conte, Ana Martinho, Henrique A. Matos, and Rafiqul Gani. (2008) Combined Group-Contribution and Atom Connectivity Index-Based Methods for Estimation of Surface Tension and Viscosity. Ind. Eng. Chem. Res., 47, Alvarado-Morales, M., Terra, J., Gernaey, K.V., Woodley, J.M., Gani, R., (2009). Biorefining: Computer aided tools for sustainable design and analysis of bioethanol production. Chem. Eng. Res. Des., 87, Morales-Rodriguez, R., Meyer, A. S., Gernaey, K. V., & Sin, G. (2011). Dynamic model-based evaluation of process configurations for integrated operation of hydrolysis and co-fermentation for bioethanol production from lignocellulose. Bioresource Technology, 102, Carvalho, A., Gani, R., Matos, E., (2008). Design of Sustainable Chemicel Processes: Systematic retrofit analysis generation and evaluation of alternatives. Process Safety and Enviroment Protection, 86, Gmehling, J., Present Status and Potential of Group Controbution Methods for Process Development, The Journal of Chemical Thermodynamics., 41,

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