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

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Shichang Wang

und

Wolfgang Schmidt

Autoren

Prof. Dr. Shichang Wang

Hochschule Niederrhein

Thermische Verfahrenstechnik

Reinarzstraße 49

47805 Krefeld

Deutschland

Dipl.-Ing. Wolfgang Schmidt

Südstr. 39

46562 Voerde

Deutschland

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UmschlaggestaltungBluesea Design

Druck und Bindung

Print ISBN978-3-527-34104-7

ePub ISBN978-3-527-69942-1

Gedruckt auf säurefreiem Papier

Für Lixin, Luke, Lulu und ein normales glückliches Leben

– Shichang Wang

Für meine Kinder Annette und Christoph

– Wolfgang Schmidt

Es freut uns, dass nun das zweite Buch vor Ihnen liegt, nachdem wir das erste Buch im Jahr 2015 fertiggestellt haben.

Wie das erste Buch auch, ist dies kein typisches Lehrbuch. Es ist eher ein Arbeitsbuch mit Excel-sowie VBA-Anwendungen, ausführlichen Beschreibungen, Programmcodes und Bedienungsanleitungen. Die Literatur- und Symbolverzeichnisse in diesem Buch sind daher vereinfacht angegeben. Ausführliche Anwendungen/Programme in Excel und VBA kann der Leser aus folgenden Quellen herunterladen: www.chemievt.de oder www.excelsim.de.

Das erste Buch war als Einführung in das Arbeiten mit Excel und VBA gedacht. Darin wurden zunächst die „Grundlagen der Funktionen in Excel und VBA“ und „Mathematische Methoden“ behandelt. Im Hauptkapitel „Anwendungen in Chemie und Verfahrenstechnik“ wurden zahlreiche Ready-to-use-Anwendungen/-Programme in Excel und VBA angegeben und beschrieben, die aus den oben genannten Quellen heruntergeladen werden können. Schließlich fanden im Anhang hilfreiche Tipps und Tricks rund um Excel und Word Platz.

Wie der Titel des nun vorliegenden zweiten Buches besagt, konzentrieren wir uns hier auf zwei Hauptthemen: Stoffwerte und Gleichgewichtsberechnungen sowie Prozesssimulation mit Praxisbeispielen.

Im ersten Teil des Buches, in den Kapiteln 1bis 4, werden die Themen Stoffdaten- und Gleichgewichtsberechnungen vorgestellt.

In Kapitel 1werden verschiedene Methoden zur Berechnung der Reinstoffdaten vorgestellt. Dabei werden zunächst verschiedene Methoden zur Berechnung der Stoffdaten von Wasser und Wasserdampf u.a. nach IAPS 1984 und 1997 angeben und verglichen. Neben der Darstellung über die Inkrementenmethode nach Joback werden einige Stoffdatenbanken beschrieben.

In Kapitel 2werden Berechnungen von Mischungseigenschaften beschrieben.

In Kapitel 3werden Methoden zur Stoffdatenberechnung mittels der molekularen Potenziale und zwischenmolekularen Wechselwirkungen vorgestellt, z.B. nach Coulomb, Morse, Lennard-Jones und Buckingham. Diese Methoden wurden in zahlreichen Literaturen als theoretische Abhandlungen und Computerprogramme bereits beschrieben. In diesem Buch sind sie einheitlich in Excel und VBA überführt, sodass der Leser des Buches oder der Anwender diese Berechnungsmethoden sehr einfach in modernen Excel-Anwendungen integrieren kann.

Im Kapitel 4werden wichtige Aspekte der Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewichte beschrieben.

Im zweiten Teil des Buches, in den Kapiteln 5, 6und 7, werden Praxisbeispiele der Prozesssimulation in Excel/VBA an Beispielen der Verdampfung und Kristallisation, Rektifikation und Reaktion vorgestellt.

In Kapitel 5werden zunächst wichtige Aspekte und Definitionen der Prozesssimulation eingeführt, z. B. stationärer Prozesse oder sequenzieller und vorwärts gerichteter Prozesssimulationen. Einige Grundregeln für das Arbeiten mit Excel/VBA werden angesprochen, um Fehler bei der Programmerstellung und bei der Kommunikation zu minimieren. Während die Aufgaben für die Verdampfung als allgemeine Einführung in die Simulation in Excel ohne VBA aufgefasst werden kann, wird in der Aufgabe der Kristallisation mit einem Rückflussstrom (Recycle) die systematische Methode der Konvergenz mit Dämpfungsfaktoren detailliert behandelt.

Die Konvergenzmethode mit dem Dämpfungsfaktor ist umso konsequenter anzuwenden, wenn die Prozesssimulation mehrere Recycles/Schnittströme enthält, z.B. bei der Berechnung einer Rektifikationskolonne in Kapitel 6.

Die Beispiele in Kapitel 5und 6sollen verdeutlichen, dass eine systematische Vorgehensweise mit der bewussten Kennzeichnung und Dämpfung der Schnitt- und Iterationsstellen für die Konvergenz einer Excelsimulation unbedingt notwendig ist. Es gilt zu vermeiden, zu sagen: „Ich habe die Anlage in Excel berechnet. Sie konvergiert nicht und ich weiß nicht warum.“

Schließlich werden in Kapitel 6und 7Beispiele der Prozesssimulation an Beispielen der Rektifikation (Methode nach Matz) und Reaktion mittels Excel und VBA vorgestellt. Die Vorteile der Anwendung von VBA werden hierbei deutlich.