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
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
Abb. 2.5. Partialdruckdiagramm nach van Laar mit alpha1 = 1, alpha2 = 2 und alpha3 = 2,4
Abb. 2.6. xy-Diagramm nach Porter mit A = 2 und der Flüchtigkeit = 3
Abb. 3.26. Potenzialfläche einer linearen H-C-H-Verbindung [Müller-Erwein, VCH-Verlag, 1991]
Abb. 3.32. Buckingham-Potenzial der H-H- und H-C-Bindungen
Abb. 3.104. Beispiel BStoss2 im karthesischen Koordinatensystem nach Ebert und Ederer in Excel
Abb. 4.31. Dampfdrücke von fünf verschiedenen Alkane mit Chemcad 6.2
Abb. 4.37. Flashberechnung 10 aliphatischer Stoffe
Abb. 6.14. Dampfdruckverlauf der Benzininhaltsstoffe nach CHEMCAD
Abb. 6.15. Dampfdruckverlauf von Alkoholen nach CHEMCAD
Abb. 6.23. Kolonnenprofil Excel-Berechnung nach Matz
Abb. 6.24. Kolonnenprofil nach der umgekehrten Rechenmethode
Abb. 6.25. Kolonnenprofil nach einer CHEMCAD-Berechnung
Abb. 6.35. Kolonnenprofil Kolonne 1 N-Oktan, N-Nonan, N-Dekan
Abb. 6.37. Kolonnenprofil Kolonne 1 N-Oktan, N-Nonan, N-Dekan
Abb. 6.52. Destillatkonzentration der offenen Batch-Destillation als Funktion der Menge B/B0
Abb. 6.53. Blasenkonzentration der offenen Batch-Destillation als Funktion der Menge B/B0
Abb. 6.56. Destillatkonzentration Benzol, Toluol, o-Xylol der ersten Hauptfraktion Benzol
Abb. 6.57. Sammlerkonzentration Benzol, Toluol, o-Xylol der ersten Hauptfraktion Benzol
Abb. 6.58. Blasenkonzentration Benzol, Toluol, o-Xylol der ersten Hauptfraktion Benzol
Abb. 6.60. Destillatkonzentration der ersten Zwischenfraktion Benzol, Toluol
Abb. 6.62. Destillatkonzentration der zweiten Hauptfraktion Toluol
Abb. 6.64. Destillatkonzentration der zweiten Zwischenfraktion Toluol, o-Xylol
Abb. 6.66. Gesamtergebnis Sammlerkonzentration Benzol, Toluol, o-Xylol aller fünf Fraktionen
Abb. 7.3. Ergebnis der Simulation in „Tabelle Rechnen1: 422B2adi Idealer Rührkessel & absatzweise (Batch) adiabatisch“ [Müller-Erwein, VCH-Verlag, 1991]
Abb. 7.4. Ergebnis der Simulation in „Tabelle Rechnen2: 458B3pol Ideales Strömungsrohr & instationär % Filmdiffusion / polyprop“ [Müller-Erwein, VCH-Verlag, 1991]
Abb. 7.5. Ergebnis der Simulation in „Tabelle Rechnen3 424B3pol Idealer Rührkessel & kontinuierlich & stationär (CSTR / polyprop)“ [Müller-Erwein, VCH-Verlag, 1991]
Abb. A.7. Laden und Entladen eines Kondensators, analytisch (DGL) und numerisch (Euler)