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

1 Cover

2 Titelblatt Shichang Wang und Wolfgang Schmidt

3 Urheberrechte Autoren Prof. Dr. Shichang Wang Hochschule Niederrhein Thermische Verfahrenstechnik Reinarzstraße 49 47805 Krefeld Deutschland Dipl.-Ing. Wolfgang Schmidt Südstr. 39 46562 Voerde Deutschland Alle Bücher von WILEY-VCH werden sorgfältig erarbeitet. Dennoch übernehmen Autoren, Herausgeber und Verlag in keinem Fall, einschließlich des vorliegenden Werkes, für die Richtigkeit von Angaben, Hinweisen und Ratschlägen sowie für eventuelle Druckfehler irgendeine Haftung. Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografe; detaillierte bibliografsche Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. © 2021 WILEY-VCH GmbH, Boschstr. 12, 69469 Weinheim, Germany Alle Rechte, insbesondere die der Übersetzung in andere Sprachen, vorbehalten. Kein Teil dieses Buches darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form – durch Photokopie, Mikroverflmung oder irgendein anderes Verfah‐ ren – reproduziert oder in eine von Maschinen, insbesondere von Datenverarbeitungsmaschinen, verwendbare Sprache übertragen oder übersetzt werden. Die Wiedergabe von Warenbezeichnungen, Handelsnamen oder sonstigen Kennzeichen in diesem Buch berechtigt nicht zu der Annahme, dass diese von jedermann frei benutzt werden dürfen. Vielmehr kann es sich auch dann um eingetragene Warenzeichen oder sonstige gesetzlich geschützte Kennzeichen handeln, wenn sie nicht eigens als solche markiert sind. Umschlaggestaltung Bluesea Design Druck und Bindung Print ISBN 978-3-527-34104-7 ePub ISBN 978-3-527-69942-1 Gedruckt auf säurefreiem Papier

4 Widmung Für Lixin, Luke, Lulu und ein normales glückliches Leben – Shichang Wang Für meine Kinder Annette und Christoph – Wolfgang Schmidt

5 Vorwort

6 Farbtafeln

7 1 Stoff- und p,v-T-Daten der Reinstoffe 1 Stoff- und p,v-T-Daten der Reinstoffe Die Berechnungsmethoden in der Verfahrenstechnik sind in den letzten Jahren, insbesondere durch die Einführung der Prozesssimulation wie z.B. CHEMCAD, immer leistungsfähiger geworden. Damit haben viele Lehrinhalte nicht immer mithalten können. Daher soll dieses Buch Berechnungsmethoden der Verfahrenstechnik an ausgewählten Beispielen vorstellen. 1.1 Wasserdampftafel nach IAPWS-IF97 1.2 Inkrementenmethode von Joback 1.3 DIPPR–Datenbank 1.4 DWSIM – Freewaresoftware zur Prozesssimulation (dwflash)

8 2 Methoden zur Berechnung von Stoffdaten der Gemische2.1 Mischungsregeln 2.2 Ideale Mischungsregeln 2.3 Spezielle Lösung zur Exzessgröße am Beispiel der Dichte

9 3 Molekulare Potenziale und Kräfte 3.1 Atomare Berechnungen und Methode nach Coulomb 3.2 Zwischenmolekulare Wechselwirkungen 3.3 Methode nach Morse (morse) 3.4 Methode nach Buckingham (buckingham) 3.5 Methode nach Lennard-Jones 3.6 Virialtheorem 3.7 Ermitteln von Lennard-Jones-Parametern 3.8 Berechnung der Bindungsenergie mit dem Lennard-Jones-Modell 3.9 Molekülsysteme (MolekSimul) 3.10 Berechnung des Potenzials eines Feststoffes (Usolid) 3.11 Harmonischer Oszillator (harm) 3.12 Lineare dynamische Simulation (linearemolekuelsimulation) 3.13 Lineare Bewegung (molsim)

10 4 Phasengleichgewichte4.1 Einführung 4.2 Berechnungen mit UNIFAC (actcoeff) 4.3 Excel-Datei ACTCOEFF.xls 4.4 Flashberechnungen mit DWSIM und CHEMCAD 4.5 Berechnungen mit NRTL 4.6 Die van-der-Waals-Gleichung 4.7 Joule-Thomson-Effekt 4.8 Reale Zustandsgleichung nach SRK (Soave-Redlich-Kwong) 4.9 Wichtige Definitionen 4.10 Aggregatzustände 4.11 Gesetz von Clausius-Clapeyron (August) 4.12 Phasengleichgewichte 4.13 Dampf-Flüssig-Gleichgewicht (VLE) 4.14 Raoult’sches Gesetz 4.15 Dalton’sches Gesetz 4.16 Reale Flüssigkeiten und Aktivitätskoeffizient 4.17 Feststoffgleichgewicht, Solid-Liquid-Equilibrium (SLE) 4.18 Partielle molare Größen 4.19 Flashberechnung von Phasengleichgewichten

11 5 Einführung in die vorwärts-sequenzielle Prozesssimulation in Excel 5.1 Einführung in die Prozesssimulation 5.2 Bilanzierung einer Eindampfanlage als Gesamtanlage – Aufgabe a) 5.3 Berechnung einer Eindampfanlage mit Vorwärmung – Aufgabe b) 5.4 Berechnung einer zweistufigen Gegenstromeindampfanlage – Aufgabe c) 5.5 Berechnung einer zweistufigen Gleichstromeindampfanlage – Aufgabe d) 5.6 Berechnung einer Eindampfanlage mit thermischer Brüdenverdichtung 5.7 Berechnung einer Eindampfanlage mit mechanischer Brüdenverdichtung 5.8 Zusammenfassung der Einergieeinsparungsmaßnahmen bei der Verdampfung 5.9 Berechnung einer Kristallisationsanlage (nur Massenbilanz)

12 6 Ausgewählte Beispiele der Rektifikation6.1 Einführungsbeispiel mit Flash, Datei „Rektif2016.xls” 6.2 Berechnung einer Rektifikationskolonne nach Matz in Excel (Rektifikation2017) . 6.3 Rektifikationen mit CHEMCAD 6.4 Batch-Destillation und –rektifikation

13 7 Chemische Reaktion 7.1 Einfacher Batch-Reaktor 7.2 Homogener Rührreaktor 7.3 Inhomogener Rührreaktor 7.4 Rohrreaktor

14 Anhang

15 Literaturverzeichnis

16 Online Literaturverzeichnis

17 Stichwortregister

18 Endbenutzer-Lizenzvereinbarung

1 Kapitel 1 Abb 1.1. Wasser und Wasserdampf nach IAPS, IF97 und CHEMCAD – hier eine Übersich... Abb 1.2. Alkane in Tabelle VDI-WA in jobackmod.xlsm Abb 1.3. Kritisches Volumen von Alkanen als Funktion der C-Atome Abb 1.4. Auswahl der Trendlinie Abb 1.5. Auswahl der Parameter der Trendlinie Abb 1.6. Kritisches Volumen V cals Funktion von n in (CH 2) nin Tabelle VDI-WA in... Abb 1.7. Daten der Alkohole in Tabelle VDI-WA in jobackmod.xlsm Abb 1.8. Kritisches Volumen V cbei Alkoholen in Tabelle VDI-WA in jobackmod.xlsm Abb 1.9. Tabelle „Daten” in jobackmod.xlsm, auszugsweise Abb 1.10. Auswahl der CH 3-Inkrementgruppe der Nicht-Ring-Joback-Gruppe in joback... Abb 1.11. Auswahl der >C=O-Inkrementgruppe der Sauerstoff-Jobackgruppe in... Abb 1.13. Eingabe der Summenproduktfunktion für den Siedepunkt T b Abb 1.14. Auswahl der Aceton-Inkremente und Joback-Berechnung Abb 1.15. Auswahl der Joback-Inkremente Abb 1.16. Auswahl des CH 3-Inkrements Abb 1.17. Liste der Inkremente Abb 1.18. Parameter der kritischen Temperatur T c Abb 1.19. VBA-Projekt in VBA-Editor-Fenster Abb 1.20. VBA-Funktion für T b, T mund T c Abb 1.21. Entstehung des Auswahlmenüs Abb 1.22. Argumente für die Verweis-Funktion Abb 1.23. Summenprodukt Abb 1.24. Summenprodukt [C]*[D] Abb 1.25. Erweiterte Joback-Berechnung 2. Grades für Isomere Abb 1.26. Inkremente der 2. Ordnung Abb 1.27. Minimum Required Data Abb 1.28. Basic Data Abb 1.29. Dichte nach DIPPR Abb 1.30. Dampfdruck (101) und Verdampfungsenthalpie (106) nach DIPPR Abb 1.31. Spezifische Wärmekapazitäten fest (107), flüssig (100) und gasförmig (... Abb 1.32. DIPPR-Funktion für Gasviskosität (102) und Flüssigviskosität (101) Abb 1.33. Gaswärmeleitfähigkeit, Flüssigwärmeleitfähigkeit, Oberflächenspannung Abb 1.34. Funktion einfügen Abb 1.35. Auswahl PVFFlash Abb 1.36. Zellen D8 bis F11 Abb 1.37. Funktion PVFFlash Abb 1.38. Funktionsargumente der Funktion PVFFlash Abb 1.39. Auswahl thermodynamisches Modell Abb 1.40. Komponenten Ethanol und Wasser Abb 1.41. Weitere Funktionsargumente Abb 1.42. Zusammensetzung des Gemisches Abb 1.43. Ergebnis Abb 1.44. Einzelberechnungen Abb 1.45. Phasengleichgewicht Ethanol und Wasser mit DWSIM Flash Abb 1.46. Aufruf vorhandener Komponenten Abb 1.47. Ausschnitt aus Liste der Komponenten Abb 1.48. Aufruf vorhandener thermodynamischer Modelle Abb 1.49. Ausschnitt aus Liste der verfügbaren thermodynamischen Modelle Abb 1.50. Aufruf der Stoffdaten von Ethanol und Wasser

2 Kapitel 2 Abb 2.1. Polynomialkoeffizienten zur Berechnung der isobaren spezifischen Wärmek.