Berechnung von Stoffdaten und Phasengleichgewichten mit Excel-VBA E-Book

Shichang Wang

• Herausgeber: Wiley-VCH GmbH
• Kategorie: Fachliteratur
• Serie: Arbeitsbücher Verfahrenstechnik - für Studium und Beruf
• Sprache: Deutsch

Seitenzahl: 392

Veröffentlichungsjahr: 2021

Beschreibung

Das Buch zeigt Möglichkeiten und Grenzen der Berechnung von Stoffdaten und Phasengleichgewichten mit Excel-VBA. Diese Größen sind Grundlage für die bedeutenden verfahrenstechnischen Operationen Kristallisation und Rektifikation. Zahlreiche Anwendungsbeispiele und Berechnungen auf Grundlage unterschiedlicher Methoden und Modelle ermöglichen dem Leser das schrittweise Mitverfolgen der einzelnen Rechenschritte - und sind gleichzeitig Grundlage für die Anwendung auf eigene verfahrenstechnische Probleme. Vergleiche mit Methoden der Prozesssimulation mit der Software CHEMCAD zeigen Vorteile, aber auch Grenzen von Excel-VBA auf und erhöhen den Praxiswert.

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Cover

Titelblatt

Urheberrechte

Widmung

Vorwort

Farbtafeln

1 Stoff- und p,v-T-Daten der Reinstoffe

1.1 Wasserdampftafel nach IAPWS-IF97

1.2 Inkrementenmethode von Joback

1.3 DIPPR–Datenbank

1.4 DWSIM – Freewaresoftware zur Prozesssimulation (dwflash)

2 Methoden zur Berechnung von Stoffdaten der Gemische

2.1 Mischungsregeln

2.2 Ideale Mischungsregeln

2.3 Spezielle Lösung zur Exzessgröße am Beispiel der Dichte

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)

4 Phasengleichgewichte

4.1 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

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)

6 Ausgewählte Beispiele der Rektifikation

6.1 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

7 Chemische Reaktion

7.1 Einfacher Batch-Reaktor

7.2 Homogener Rührreaktor

7.3 Inhomogener Rührreaktor

7.4 Rohrreaktor

Anhang

Literaturverzeichnis

Online Literaturverzeichnis

Stichwortregister

Endbenutzer-Lizenzvereinbarung

Tabellenverzeichnis

Kapitel 3

Tabelle 3.1 Einige Eigenschaften von Edelgaskristallen

Tabelle 3.3 Gittersummen A

n

für kubische Gitter und Potenzialexponenten n

Tabelle 3.4 Summationskonstanten k1 bzw. k2 und Faktoren c für einige kubische G...

Kapitel 4

Tabelle 4.1. Daten des Phasengleichgewichts N-Oktan / N-Nonan nach CHEMCAD, idea...

Tabelle 4.3. Daten des Phasengleichgewichts N-Oktan- N-Nonan nach CHEMCAD mit Un...

Tabelle 4.4. Daten das Phasengleichgewichts Cylohexan-Benzol nach CHEMCAD mit NR...

Tabelle 4.6. Daten des Phasengleichgewichts Wasser- N-Butanol nach CHEMCAD mit N...

Tabelle 4.5. Daten des Phasengleichgewichts Azeton-Chloroform nach CHEMCAD mit U...

Kapitel 6

Tabelle 6.1. Daten des Phasengleichgewichts des Gemisches N-Oktan- N-Nonan nach ...

Tabelle 6.2. Daten des Phasengleichgewichts des Gemisches N-Oktan- N-Nonan nach ...

Tabelle 6.3. Phasengleichgewicht N-Dekan- N-Nonan nach CHEMCAD mit Unifac

Tabelle 6.4. Stromliste

Tabelle 6.5. Daten des Phasengleichgewichts Ethanol-Wasser nach CHEMCAD mit NRTL

Kapitel 7

Tabelle 7.1 Auszug Datentabelle 422B2pol

Tabelle 7.2 Auszug Datentabelle 424B2pol

Tabelle 7.3 Auszug Datentabelle 426B2pol

Tabelle 7.4. Auszug Datentabelle 442B1pol

Orientierungspunkte

Cover

Inhaltsverzeichnis

Titelblatt

Urheberrechte

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Vorwort

Farbtafeln

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Literaturverzeichnis

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Endbenutzer-Lizenzvereinbarung

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Shichang Wang

und

Wolfgang Schmidt

Berechnung von Stoffdaten und Phasengleichgewichten mit Excel-VBA

Anwendungen bei Verdampfung, Kristallisation, Rektifikation und Reaktion

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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Umschlaggestaltung Bluesea Design

Druck und Bindung

Print ISBN 978-3-527-34104-7

ePub ISBN 978-3-527-69942-1

Gedruckt auf säurefreiem Papier

Für Lixin, Luke, Lulu und ein normales glückliches Leben

– Shichang Wang

Für meine Kinder Annette und Christoph

– Wolfgang Schmidt

Vorwort

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 1 bis 4, werden die Themen Stoffdaten- und Gleichgewichtsberechnungen vorgestellt.

In Kapitel 1 werden 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 2 werden Berechnungen von Mischungseigenschaften beschrieben.

In Kapitel 3 werden 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 4 werden wichtige Aspekte der Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewichte beschrieben.

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

In Kapitel 5 werden 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 5 und 6 sollen 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 6 und 7 Beispiele 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.

Unser besonderer Dank gilt Herrn M. Sc. Sebastian Stark. Er hat uns nicht nur bei der Bucherstellung redaktionell unterstützt. Durch sein zielstrebiges und strukturiertes Arbeiten hat er zum zügigen Gelingen des Buches wesentlich beigetragen. Zu erwähnen sind auch einige Beschreibungen des Excelprogrammes für die Verdampfung/Kristallisation in Kapitel 5 von ihm. Herrn Nairong Liu und Herrn Hendrik Topolski danken wir ebenfalls für die redaktionelle Bearbeitung des Buches in der Schlussphase.

Wir hoffen, dass Ihre Erwartung und unsere Hoffnung in Erfüllung gehen. Für Rückfragen stehen die Autoren gerne per E-Mail zur Verfügung. Für Hinweise und Verbesserungsvorschläge sind wir besonders dankbar.

Shichang Wang

Moers, im April 2020

Wolfgang Schmidt

Bad Zwischenahn, im Dezember 2020

Hinweis

Farbabbildungen erscheinen im gedruckten Buch farbig im Farbtafelteil des Vorspanns und schwarz-weiß an Ort und Stelle im Text. Farbige xls-Dateien finden sich zudem auf www.wiley-vch.de/home/stoffdaten_phasengleichgewichte