Bender-GERG equation of state theoretical study and application to air separation unit

In the last years, the need for more powerful and detailed thermodynamic tools to be used in process simulators has exponentially increased. A more precise prediction allows to save energy, to have a better control and to optimize of each unity. For cryogenic separations it is very difficult to have robust and reliable thermodynamic packages; generally, mixtures are at low temperatures (so very far from ideal behaviour) or close to critical point for one or more compounds. In such operative conditions, for example, Cubic Equations of State exhibit some convergence and oscillation problems that are solved by using fitting-interaction parameters. This numerical solution however is suitable only for specific mixtures. In 60’s and 70’s of the last century, Bender developed an Equation of State tailored on Air Separation Unit, however, his methodology in the development of the Equation of State can be easily translated to other compounds as already done by several researchers. In any case, Bender Equation of State was originally developed to predict thermodynamic behaviour and properties in cryogenic conditions for nitrogen, argon and oxygen both pure or in mixture. However, in the original doctorate thesis by Bender, units of measure and univocal definitions of mixing rules for parameters and additional coefficients are missing. In this work, a smart and complete implementation of Bender Equation of State is proposed.

Negli ultimi anni, la necessità di implementare strumenti termodinamici sempre più potenti e dettagliati da utilizzare nei simulatori di processo è aumentata in modo esponenziale. Una previsione più precisa consente di risparmiare energia, di avere un miglior controllo ed ottimizzazione dell’unità. Per le separazioni criogeniche è molto difficile avere pacchetti termodinamici robusti e affidabili; generalmente, le miscele sono a basse temperature (quindi molto lontane dal comportamento ideale) o vicine al punto critico per uno o più composti. In tali condizioni operative, ad esempio, le Equazioni di Stato cubiche presentano alcuni problemi di divergenza e oscillazione che vengono risolti utilizzando i parametri di interazione adattivi. Questa soluzione numerica è stata studiata e adatta solo per miscele specifiche. Negli anni ’60 e ’70 del secolo scorso, Bender ha sviluppato un’equazione di stato su misura per l’unità di separazione dell’aria, tuttavia, la sua metodologia nello sviluppo dell’equazione di stato può essere facilmente tradotta per composti come già fatto da diversi ricercatori. In ogni caso, l’equazione di stato di Bender è stata originariamente sviluppata per prevedere il comportamento termodinamico e le proprietà in condizioni criogeniche (e non solo) di azoto, argon e ossigeno sia puri che in miscela. Tuttavia, nella tesi di dottorato originale di Bender mancano unità di misura e definizioni univoche di regole di miscelazione per parametri e coefficienti aggiuntivi. In questo lavoro, viene proposta un’implementazione intelligente e completa per la risoluzione dell’equazione di stato di Bender.