Mischungsregeln für thermodynamische Zustandsgleichungen

Ziel des Projekts war es, die molekular begründete BACKONE-Zustandsgleichung zur Beschreibung der thermodynamischen Eigenschaften von Fluiden auf fluide Gemische zu erweitern. Dazu wurden neue Mischungsregeln molekulartheoretisch hergeleitet, die für jedes binäre Gemisch nur einen anpassbaren Parameter benötigen. Die hohe Qualität der neuen Mischungsregeln wurde für Gemische aus verschiedenen Stoffklassen durch Vergleich der vorausberechneten mit experimentellen Daten verifiziert. Ein aktuelles Anwendungsbeispiel ist die Bereitstellung von Stoffdaten für Kältemittelgemische mit geringem Treibhauspotenzial. Darüber hinaus wurde eine neue molekular begründete Zustandsgleichung für Wasser hergeleitet. Aus dem Projekt resultierten 6 Veröffentlichungen und 6 mündliche Konferenzbeiträge. Text Unter thermodynamischen Stoffeigenschaften versteht man Größen wie Druck, Temperatur, Dichte, Energie, und Entropie. Auch die Gleichgewichte zwischen verschiedenen Phasen, wie z.B. zwischen Flüssigkeit und Dampf, sind thermodynamische Stoffeigenschaften. Ihre Kenntnis ist für die Auslegung von fast allen energie- und verfahrenstechnischen Prozessen notwendig. Die Thermodynamik lehrt uns, dass diese Eigenschaften für einen gegebenen Stoff aus einer Fundamentalzustandsgleichung abgeleitet werden können. Das Problem besteht nun darin, diese Zustandsgleichungen für verschiedene Stoffe aufzustellen. Es ist auch unmittelbar einsichtig, dass die Stoffeigenschaften letztendlich durch die Kräften zwischen den Molekülen bestimmt sind. In den letzten Jahren gelang es, für verschiedene Kräfte zwischen den Molekülen die Beiträge zur Zustandsgleichung von Fluiden zu formulieren. So lag am Beginn des Projekts die von unserer Gruppe entwickelte Zustandsgleichung BACKONE vor. Mit dieser Gleichung können viele molekular einfache Reinstoffe, in denen neben Dispersions- auch Dipol- und Quadrupolkräfte wirken, mit der technisch erforderlichen Genauigkeit beschrieben werden. Dazu gehören u.a. Sauerstoff, Kohlendioxid, Alkane, halogenierte Alkane, Aromate und Ether. In der Praxis benötigt man aber sehr häufig auch die Zustandsgleichungen von Gemischen. Die Problemstellung für das Projekt bestand also darin, die BACKONE-Gleichung auf Mischungen zu erweitern. Es wurden nun neue molekular begründete Mischungsregeln mittels Theorie und Computersimulation hergeleitet, die für jedes binäre Gemisch nur einen anpassbaren Parameter benötigen. Die hohe Qualität der neuen Mischungsregeln wurde für Gemische aus verschiedenen Stoffklassen durch Vergleich der vorausberechneten mit experimentellen Daten verifiziert. Besonderes hervorzuheben ist, dass für ternäre Gemische kein zusätzlicher Parameter benötigt wird und flüssig-flüssig-Gleichgewichte erstmals mit dem gleichen binären Parameter wie Dampf-flüssig-Gleichgewichte beschrieben werden können. Darüber hinaus wurde auch, was zunächst nicht vorgesehen war, eine molekulare Zustandsgleichung für Wasser hergeleitet, um damit später auch wässrige Gemische beschreiben zu können. Eine aktuell heiße Anwendung ist die Bereitstellung von Stoffdaten für Kältemittelgemische mit geringem Treibhauspotenzial. Andere interessante Anwendungen ergeben sich in der Petrochemie. Schließlich sei noch auf das Reinheitsgebot für Bier verwiesen, demzufolge die Karbonisierung des Biers nur mit Gärungskohlensäure durchgeführt werden darf, von der aber der Sauerstoff abgetrennt werden muss. Dazu sind die thermodynamische Stoffeigenschaften des ternären Gemisches Sauerstoff + Stickstoff + Kohlendioxid erforderlich.