Uso de Redes Neurais em Grafos na predição dos parâmetros de componentes puros da PC-SAFT: avaliação de pressão de vapor e densidade de componentes não-associáveis e associáveis

dc.contributor.advisorSantos, Everaldo Silvino dos
dc.contributor.advisorIDhttps://orcid.org/0000-0001-7384-1140pt_BR
dc.contributor.advisorLatteshttp://lattes.cnpq.br/4330639792072559pt_BR
dc.contributor.authorLima, Wildson Bernardino de Brito
dc.contributor.authorIDhttps://orcid.org/0000-0002-0189-6000pt_BR
dc.contributor.authorLatteshttp://lattes.cnpq.br/2668063279598892pt_BR
dc.contributor.referees1Chiavone Filho, Osvaldo
dc.contributor.referees1Latteshttp://lattes.cnpq.br/2621516646153655pt_BR
dc.contributor.referees2Cartaxo, Samuel Jorge Marques
dc.contributor.referees3Bezerra, Vanja Maria de França
dc.date.accessioned2024-04-04T23:52:54Z
dc.date.available2024-04-04T23:52:54Z
dc.date.issued2023-10-27
dc.description.abstractThe modeling of thermodynamic properties is essential for the evaluation and optimization of processes through simulation tools. In this regard, the equations of state have demonstrated great capacity in modeling the most diverse types of molecules. The Perturbed-Chain Statistical Associating Fluid Theory (PC-SAFT) equation of state is one of the most used models for this purpose, being capable of modeling non-associative, associative, polar and even ionic species. However, to use PC-SAFT, a first necessary step is to perform parameterization with experimental data, with data on saturated liquid density and vapor pressure being minimum prerequisites to ensure the equation of state produces robust results in an application, such as prediction of Liquid/Vapor and Liquid/Liquid Equilibrium. Within the context of bioprocesses, there is greater difficulty in obtaining these experimental data due to both physical and economic constraints. This is the case of ionic liquids and deep eutectic solvents that have attracted much attention from the scientific community in various processes, such as protein extraction. These compounds, however, have negligible vapor pressure, which is one of the properties that make them so attractive. Deep learning models, in turn, despite being unfeasible to model a wide variety of thermodynamic properties, as the equations of state do, are very robust in finding complex patterns that may exist, for example, between molecules and their pure-component parameters. In the present study, two deep learning models of the Graph Neural Networks type were developed to predict the PC-SAFT pure-component parameters, for the hard-chain and dispersion energy, from the molecule graphs, eliminating the experimental data prerequisite. The models demonstrated excellent performance on the test set, composed of non-associative, associative and ionic species. Model 1 presented an mean absolute percentage error of 10.96% and 25.94% for liquid and vapor density and vapor pressure, respectively. Model 2 performed better with 5.03% and 19.22%, respectively. The performance of the parameters predicted by the models was demonstrated with water, furfuranol, ethanol, 1-butyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide and 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate. The need to predict parameters related to the association and polarity of the PC-SAFT was also identified, in order to use the equation of state at its maximum power.pt_BR
dc.description.resumoA modelagem de propriedades termodinâmicas é essencial para permitir a avaliação e otimização de processos através de ferramentas de simulação. Nisso, as equações de estado tem demonstrado muita capacidade em modelar os mais diversos tipos de moléculas. A equação de estado Perturbed-Chain Statistical Associating Fluid Theory (PC-SAFT) é um dos modelos mais utilizados para esse fim, sendo capaz de modelar moléculas não-associativas, associativas, polares, e até mesmo espécies iônicas. Porém, para utilizar a PC-SAFT, um primeiro passo necessário é fazer a parametrização com dados experimentais, sendo os dados de densidade de líquido saturado e pressão de vapor pré-requisitos mínimos para garantir que a equação de estado produza resultados robustos numa aplicação, como predição do equilíbrio Líquido/Vapor e Líquido/Líquido. Dentro do contexto dos bioprocessos, há uma maior dificuldade em se obter esses dados experimentais devido às limitações tanto físicas quanto econômicas que as moléculas apresentam. Este é o caso dos líquidos iônicos e solventes eutéticos profundos que têm atraído atenção da comunidade científica em diversos processos, como a extração de proteínas. Esses compostos, porém, apresentam pressão de vapor negligenciáveis, isto sendo uma das propriedades que tornam eles tão atrativos. Os modelos de aprendizado de máquina por sua vez, apesar de serem inviáveis para modelar grande variedade de propriedades termodinâmicas, como as equações de estado o fazem, são muito robustos em encontrar padrões complexos que podem existir, por exemplo, entre moléculas e seus parâmetros de componente puro. Nesse contexto, no presente estudo foram desenvolvidos dois modelos de aprendizagem profunda do tipo Redes Neurais em Grafos para predizer os parâmetros de componentes puros da PC-SAFT, referentes ao hard-chain e à dispersão, a partir dos grafos das moléculas, dispensando a necessidade de dados experimentais. Os modelos demonstraram ótimo desempenho no conjunto de teste, formado por moléculas não-associativas, associativas e espécies iônicas. O Modelo 1 apresentou média de erro absoluto percentual de 10,96% e 25,94% em relação a densidade de líquido e vapor e pressão de vapor, respectivamente. O Modelo 2 teve melhor desempenho com 5,03% e 19,22% de densidade e pressão de vapor, respectivamente. O desempenho dos parâmetros previstos pelos modelos foi demonstrado nas moléculas de água, furfuranol, etanol, 1-butyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide e 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate. Também foi identificado a necessidade de predição de parâmetros relativos à associação e à polaridade do PC-SAFT, de forma a utilizar a equação de estado em sua potência máxima.pt_BR
dc.identifier.citationLIMA, Wildson Bernardino de Brito. Uso de Redes Neurais em Grafos na predição dos parâmetros de componentes puros da PC-SAFT: avaliação de pressão de vapor e densidade de componentes não-associáveis e associáveis. Orientador: Dr. Everaldo Silvino dos Santos. 2023. 77f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2023.pt_BR
dc.identifier.urihttps://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/58025
dc.languagept_BRpt_BR
dc.publisherUniversidade Federal do Rio Grande do Nortept_BR
dc.publisher.countryBrasilpt_BR
dc.publisher.initialsUFRNpt_BR
dc.publisher.programPROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICApt_BR
dc.rightsAcesso Abertopt_BR
dc.subjectAprendizado de máquinapt_BR
dc.subjectPredição de propriedades termodinâmicaspt_BR
dc.subjectTermos não-assossiáveispt_BR
dc.subjectEquação de estadopt_BR
dc.subject.cnpqCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICApt_BR
dc.titleUso de Redes Neurais em Grafos na predição dos parâmetros de componentes puros da PC-SAFT: avaliação de pressão de vapor e densidade de componentes não-associáveis e associáveispt_BR
dc.title.alternativeUse of Graph Neural Networks to predict the PC-SAFT pure-components parameters: evaluation of vapor pressure and density of non-associable and associable componentspt_BR
dc.typemasterThesispt_BR

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