Uso da calorimetria exploratória diferencial na predição de propriedades a frio do querosene de aviação
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Universidade Federal de Minas Gerais
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Dissertação de mestrado
Título alternativo
Application of differential scanning calorimetry for predicting cold flow properties of aviation kerosene
Primeiro orientador
Membros da banca
Renata Costa Silva Araújo
Camila Nunes Costa Corgozinho
Camila Nunes Costa Corgozinho
Resumo
Os combustíveis de aviação desempenham papel na cadeia de operações aeronáuticas, exigindo rigorosos controles de qualidade. Os métodos convencionais utilizados para a caracterização das propriedades físico-químicas desses combustíveis, embora consolidados, frequentemente apresentam limitações relacionadas ao tempo de análise, custo elevado e necessidade de volumes significativos de amostra. Diante da crescente demanda por métodos alternativos para a predição de propriedades físico-químicas, o presente estudo tem como objetivo avaliar a aplicação da Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC) como uma técnica para a determinação de propriedade a frio em combustíveis de aviação, bem como investigar a correlação direta entre os métodos de Ponto de Congelamento Manual e Ponto de Congelamento Automático. Um conjunto com mais de 50 amostras comerciais de querosene de aviação foi analisado pelos métodos de referência para determinação dos Pontos de Congelamento, Névoa e Fluidez, e, em seguida, submetido a uma metodologia otimizada por DSC. Considerando a correlação direta dos dados, foram construídos três modelos baseados em métodos utilizados na literatura. A correlação dos dados foi classificada como muito forte para a maioria dos modelos de predição do Ponto de Congelamento e para ambos os modelos do Ponto de Névoa, e como forte para o modelo de Ponto de Fluidez. No entanto, do ponto de vista estatístico, apenas um dos modelos de congelamento apresentou equivalência com o método de referência. Por outro lado, a utilização de curvas obtidas por DSC, em combinação com o método quimiométrico de regressão por mínimos quadrados parciais (PLS), permitiu a construção de modelos preditivos para o Ponto de Névoa, Ponto de Fluidez e Viscosidade Cinemática a -20°C os quais apresentaram coeficientes de determinação (r2cal e r2val) superiores a 0,90, razão RMSEP/RMSEC inferior a 2,5 e valores satisfatórios de RPD, indicando desempenho robusto. Além disso, os resultados dos modelos foram considerados estatisticamente equivalentes aos métodos de referência evidenciando sua viabilidade para aplicação em análises de controle de qualidade. Os resultados obtidos demonstram o potencial da Calorimetria Exploratória Diferencial, associada à modelagem quimiométrica por PLS em amostras de combustíveis de aviação. Considerando a limitada disponibilidade de estudos voltados à previsão do Ponto de Névoa e do Ponto de Fluidez neste tipo de amostra, este trabalho contribui significativamente para o avanço das metodologias analíticas aplicadas a esse tipo de matriz. Além disso, a estratégia desenvolvida apresenta potencial de extensão para outros combustíveis de origem fóssil e renovável, além de misturas entre eles.
Abstract
Aviation fuels play a key role in the aircraft operations chain, requiring strict quality control procedures. Although well-established, conventional methods used to characterize the physicochemical properties of these fuels often present limitations related to analysis time, high cost, and the need for significant sample volumes. Given the growing demand for alternative methods to predict physicochemical properties, the present study aims to evaluate the application of Differential Scanning Calorimetry (DSC) as a technique for the determination of cold flow properties in aviation fuels, as well as to investigate the direct correlation between the Manual and Automatic Freezing Point methods. A set of more than 50 commercial jet fuel samples was analyzed using reference methods for determining freezing point, cloud point, and pour point, and subsequently subjected to an optimized DSC methodology. Based on direct data correlation, three models were built following approaches reported in the literature. The correlation was classified as very strong for most of the freezing point prediction models and for both cloud point models, and as strong for the pour point model. However, from a statistical standpoint, only one of the freezing point models was considered equivalent to the reference method. Thus, the use of DSC curves combined with the Partial Least Squares (PLS) chemometric method enabled the construction of predictive models for cloud point, pour point and kinematic viscosity which showed coefficients of determination (r2cal e r2val) above 0.90, RMSEP/RMSEC ratio below 2.5, and satisfactory RPD values, indicating robust performance. Furthermore, the model results were considered statistically equivalent to the reference methods, confirming their effectiveness for application in quality control analyses. The results demonstrate the potential of Differential Scanning Calorimetry, associated with PLS chemometric modeling, in the analysis of aviation fuel samples. Considering the limited number of studies focused on the prediction of cloud and pour points in this type
of matrix, this work makes a significant contribution to the advancement of analytical methodologies applied to aviation fuels. Moreover, the developed strategy shows potential for extension to other fossil and renewable fuels, as well as their blends.
Assunto
Química analítica, Quimiometria, Querosene, Calorimetria, Aviões - Combustíveis, Pontos de congelamento, Controle de qualidade, Combustíveis fósseis, Correlação (Estatística), Mínimos quadrados
Palavras-chave
querosene de aviação, propriedades a frio, modelos de correlação, DSC, PLS
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