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

Abstract

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.