Wolfgang Schmidt - Berechnung von Stoffdaten und Phasengleichgewichten mit Excel-VBA

Abb. 1.38. Funktionsargumente der Funktion PVFFlash

Mit Proppack wählt man das thermodynamische Modell, hier in C3. Dort befindet sich die Menüauswahl ( Abb. 1.39).

Abb. 1.39. Auswahl thermodynamisches Modell

Der Flashalgorithmus ist hier 2, P ist der Druck, der befindet sich in D6, VF der Verdampfungsgrad ist 0. Die Stoffe Ethanol und Wasser (Compounds) befinden sich in A10:11 ( Abb. 1.40).

Abb. 1.40. Komponenten Ethanol und Wasser

Die nächste Eingabe findet man durch Scrollen (vgl. Abb. 1.41).

Abb. 1.41. Weitere Funktionsargumente

Molefraction, also der Molbruch, ist die Zusammensetzung des Gemisches und befindet sich in B10:B11, d.h. 20 mol% Ethanol und 80 mol% Wasser (vgl. Abb. 1.42).

Abb. 1.42. Zusammensetzung des Gemisches

Als Ergebnis erhält man in D10:D11 ( Abb. 1.43)

Abb. 1.43. Ergebnis

In der Dampfphase befinden sich also 54 mol% Ethanol und 46 mol% Wasser im Phasengleichgewicht mit der o.g. Flüssigzusammensetzung bei dem o.g. Druck.

Diese Einzelberechnung kann auch als Tabelle durchgeführt werden, wie in I7:J27 zu sehen (vgl. Abb. 1.44).

Abb. 1.44. Einzelberechnungen

Die Grafik dazu ( Abb. 1.45)

Abb. 1.45. Phasengleichgewicht Ethanol und Wasser mit DWSIM Flash

Die Stoffe Ethanol und Wasser lassen sich leicht gegen andere Stoffe austauschen. Entweder schriebt man einfach einen anderen Stoffnamen in A10:A11 oder wählt den Stoff aus einer DWSIM-Stofftabelle in der Tabelle Daten aus (vgl. Abb. 1.47). Die in DWSIM gespeicherten Stoffe sind in Spalte B aufgeführt, hier ein Ausschnitt. Die Funktion dazu lautet ( Abb. 1.46):

Abb. 1.46. Aufruf vorhandener Komponenten

Abb. 1.47. Ausschnitt aus Liste der Komponenten

In Spalte A befindet sich eine Liste der thermodynamischen Modelle in DWSIM ( Abb. 1.49). Die Funktion dazu lautet ( Abb. 1.48):

Abb. 1.48. Aufruf vorhandener thermodynamischer Modelle

Abb. 1.49. Ausschnitt aus Liste der verfügbaren thermodynamischen Modelle

Von D bis H findet man Stoffdaten von Ethanol und Wasser. Die Funktion dazu lautet wie in ( Abb. 1.50):

Abb. 1.50. Aufruf der Stoffdaten von Ethanol und Wasser

in Spalten D und G. Hier ein Ausschnitt zu Spalte D und E. In E10 muss der Stoffname stehen.

Weitere Informationen zu den DWSIM-Funktionen sind durch die Betreiber der Internetseiten zu erfahren.

Die Stoffdaten von Gemischen lassen sich nur für ideale Gemische berechnen. Das reale Gemischverhalten ist nur in wenigen Fällen untersucht und durch einen Funktionsansatz beschrieben. Aber selbst dann fehlen die im Funktionsansatz enthaltenen Wechselwirkungsparameter. Möglicherweise können diese aus dem zwischenmolekularen Potenzial z.B. nach Lennard-Jones gewonnen werden.

Die Stoffdatenberechnung hat einen hohen Stellenwert bei der Planung von chemischen Prozessen. Bekannte Anbieter von einschlägigen Stoffdatensammlungen für Reinstoffe sind z.B. VDI Wärmeatlas, D´Ans Lax, CRC, Perry, Detherm, DIPPR, um nur einige zu nennen. Zur Abschätzung von Stoffdaten stehen Inkrementmethoden (Gruppenbeitragsmethoden) wie z.B. die Joback-Methode zur Verfügung. Diese und andere gibt es auch als Software.

Für die Berechnung der Stoffdaten von Gemischen werden Mischungsregeln angewendet. Dabei unterscheidet man zwischen idealen und realen Mischungsregeln. Reale Mischungsregeln berücksichtigen die Wechselwirkungen zwischen Molekülen. Diese basieren auf Dipolkräften, Polarisierbarkeitskräften und Dispersionskräften. Dieses Thema wird in diesem Buch in Kapitel 3behandelt. Wir betrachten hier nur ideale Mischungsregeln wie sie z.B. weitestgehend in CHEMCAD verwendet und in der Praxis angewendet werden.

Gasmischungen verhalten sich so, dass man ideale Mischungsregeln anwenden kann. Diese bestehen aus einfachen linearen Funktionen, in denn die Reinstoffdaten als Molanteile addiert werden. Ideale Flüssigmischungen sind solche, bei denen die idealen Mischungsregeln gelten.

In CHEMCAD werden meistens DIPPR-Formeln zur Berechnung von Stoffdaten verwendet. Für die Energiebilanz wird die Enthalpie mithilfe der spezifischen Wärmekapazität berechnet. Es gilt

(2.1)

Darin ist H 0in der Regel die Standardbildungsenthalpie für ein ideales Gas.

Für die Berechnung der gasförmigen und flüssigen spezifischen Wärmekapazität stehen zwei Formeln zur Verfügung. Der früher häufig verwendete Ansatz besteht aus einem Polynom.

(2.2)