Projekt COFFEE – Universität Innsbruck

Orientierungsstruktur in fluiden Mischungen

Kenntnisse über die thermo-dynamischen Eigenschaften fluider Mischungen sind für die Auslegung und den Betrieb zahlreicher verfahrens-technischer Anlagen von zentraler Bedeutung. Deshalb werden schnelle und zuverlässige Werkzeuge benötigt, um das thermodynamische Verhalten entsprechender Mischungen vorher-zusagen.

Ein solches Werkzeug sind thermodynamische Zustandsgleichungen.

Die Vorhersage thermodynamischer Eigenschaften von Mischungen mit Zustandsgleichungen ist dann besonders schwierig, wenn sich die Komponenten in der Mischung bezüglich ihrer Polarität stark unterscheiden. Das liegt wahrscheinlich daran, dass polare Moleküle sich untereinander präferentiell orientieren. Diese präferentiellen Orientierungen werden in thermodynamischen Zustandsgleichungen typischerweise nicht explizit berücksichtigt. Stattdessen wird die Struktur eines einfachen Referenzfluids angenommen und einzelne Terme für dipolare Interaktionen und H-Brücken werden als separate Beiträge zur freien Energie addiert.

Mit Hilfe molekulardynamischer Simulationen kann die Orientierungsstruktur allerdings direkt berechnet werden. Die Ergebnisse können anschließend genutzt werden, um eine Zustandsgleichung zu parametrieren, welche die molekulare Orientierungsstruktur explizit berücksichtigt. Die Co-Oriented Fluid Functional Equation for Electrostatic interactions (COFFEE) wurde mit diesem Vorgehen entwickelt. Allerdings kann COFFEE aktuell nur auf Reinstoffe angewendet werden.

Im Rahmen eines von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Projektes arbeite ich an der Weiterentwicklung von COFFEE zur Beschreibung von Mischungen. Dazu wird eine breite Datenbasis für Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewichte und Orientierungstruktur in fluiden Mischungen mit molekularen Simulationen geschaffen. Schließlich sollen die Ergebnisse aus COFFEE auch mit experimentellen Daten verglichen werden. Dazu werden zunächst Messungen von Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewichten von fluiden Mischungen durchgeführt. Die Fluidstruktur soll anschließend mit Hilfe von NMR Messungen charakterisiert werden.