Simulação computacional do equilíbrio de fases de misturas binárias de ácidos graxos, ésteres metílicos, metanol, água e glicerol

Abstract

A dinâmica molecular permite um controle e visibilidade de sistemas atômicos que seria de extrema dificuldade se feito na realidade. Em simulações de temperatura, volume e número de átomos constantes, pode-se conhecer a pressão de vapor das substâncias, propriedade termodinâmica essencial para descrição do equilíbrio líquido vapor. Tais dados são importantes para otimização de operações industriais, e a aplicação desta simulação para os compostos do biodiesel pode gerar uma base de dados que facilitaria a análise dos processos de reação e separação dos ésteres do glicerol. Para tanto, acetato de metila e de etila, água, ácido acético, glicerol, metanol e sistema binário glicerol e água foram simulados nos campos de força OPLS, CHARMM e AMBER, com longas interações de Lennard-Jones. A metodologia empregada foi validada para a água em situações em que houvera grande quantidade de moléculas na fase vapor, com erro de 1,5% para a pressão de vapor para o CHARMM na temperatura de 601 K. No entanto, em temperaturas com baixa quantidade de vapor houve dificuldade para todos os campos de força em representar a pressão de vapor das outras substâncias principalmente dos álcoois, nos quais as interações intermoleculares são mais fracas nestes campos do que na realidade. Sendo assim, apesar da melhor qualidade do campo OPLS e da melhor consistência nos desvios do CHARMM e principalmente do AMBER, aferiu-se que sem uma parametrização específica e otimizações dos campos com dados de equilíbrio líquido-vapor, estas substâncias não podem ter dados de pressão de vapor simulados.

Molecular dynamics allows control and visibility of atomic systems, which would be extremely hard to recreate. In simulations where the temperature, volume, and number of atoms are constant, it is possible to know the vapor pressure of substances, which is essential to describe the vapor-liquid equilibrium. This kind of data is important to optimize industrial operations, and the application of these simulations could create a data base that would facilitate the review of reaction and separation between ester and glycerol. To achieve these goal, methyl and ethyl acetate, water, acetic acid, glycerol, methanol, glycerol, and water binary system were simulated using the OPLS, CHARMM and AMBER force field, with Lennard-Jones long range interactions. The methodology used was validated for water in situations where there were many molecules in the vapor phase, with an error of 1.5% for the vapor pressure for the CHARMM force field at a temperature of 601 K. However, at temperatures with low amounts of steam, it was difficult for all force fields to represent the vapor pressure of other substances, mainly alcohols, in which intermolecular interactions are weaker in these fields than in reality. Therefore, despite the better quality of the OPLS field and the better consistency in the deviations of the CHARMM and mainly of the AMBER, it was verified that without a specific parameterization and optimization of the fields with liquid-vapor equilibrium data, these substances cannot have data of simulated vapor pressure.