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ThEt
Thermodynamik und Energietechnik

DiffKoeff

Vorhersage von Transportdiffusionskoeffizienten von flüssigen Mehrkomponentenmischungen

Transportdiffusion spielt in vielen technischen Prozessen, wie zum Beispiel bei Trennprozessen in der chemischen Industrie, eine wichtige Rolle. Da für Mehrkomponentenmischungen nur wenige experimentelle Daten zur Verfügung stehen, werden für Prozessmodellierungen oft einfache theoretische Ansätze herangezogen, die jedoch meist aufgrund der Komplexität der beteiligten physikalischen Mechanismen scheitern. Die Herausforderung besteht darin, präzisere prädiktive Methoden für Transportdiffusion in flüssigen Mehrkomponentengemischen zu entwickeln.
In den vergangenen Jahren hat sich die Molekulare Simulation auf Basis von molekularen Kraftfeld-Modellen als ein nützliches Werkzeug erwiesen, für akkurate Vorhersagen thermodynamischer Eigenschaften von Fluiden. Molekulardynamische Simulationen bieten einen vielversprechenden Weg zur Vorhersage von Transportgrößen und zum Verständnis der Zusammenhänge zwischen molekularen Strukturen und makroskopischem Verhalten. Dabei besteht ein Ansatz darin, Diffusionskoeffizienten nach der Kubo Theorie aus Gleichgewichts-Molekulardynamik Simulationen zu bestimmten. Dazu liefert der Green-Kubo Formalismus einen direkten Zusammenhang zwischen Transportkoeffizienten und dem Zeitintegral der Autokorrelationsfunktionen des zugehörigen mikroskopischen Flusses in einem Gleichgewichtssystem.
Dieser Ansatz soll im Rahmen dieses Projekts zur Vorhersage von Maxwell-Stefan Diffusionskoeffizienten in flüssigen Mehrkomponentenmischungen eingesetzt werden. Zudem wird eine Methode zur Bestimmung des thermodynamischen Faktors erarbeitet um somit auch die Ermittlung des Fickschen Diffusionskoeffizienten zu ermöglichen. Die Simulationsmethodik wird anhand ternärer und quaternärer flüssiger Mischungen realer Stoffe evaluiert, wobei auch Wasserstoffbrücken bildende Stoffe betrachtet werden. Ficksche und Maxwell-Stefan Transportdiffusionskoeffizienten werden für sehr unterschiedliche thermodynamische Bedingungen ermittelt und mit vorhandenen experimentellen Daten verglichen. Vorhandene klassische Vorhersagemethoden werden anhand der erweiterten Datenbasis evaluiert. Besonderheiten in der Nähe von Binodalen beim Flüssig-Flüssig Zerfall werden untersucht. Zudem wird eine systematische Studie von Lennard-Jones Modellsystemen durchgeführt. Damit sollen neue Erkenntnisse über die Zusammenhänge zwischen den verschiedenen Diffusionskoeffizienten, den thermodynamischen Bedingungen und den molekularen Wechselwirkungen von flüssigen Mehrkomponentenmischungen gewonnen werden.

Kontakt: Prof. Dr.-Ing. habil. Jadran Vrabec, Lehrstuhl für Thermodynamik und Energietechnik, Universität Paderborn
Dauer: 3 Jahre
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