UNIFAC

berechnet mit UNIFAC bei P=1 atm. Die roten Linien sind Dampfzusammensetzungen, die blauen die Zusammensetzung der FlĂźssigkeit.
UNIFAC[1][2] (Abkßrzung fßr Universal Quasichemical Functional Group Activity Coefficients) ist ein Verfahren zur Abschätzung von Aktivitätskoeffizienten, das in der Verfahrenstechnik und der Technischen Chemie häufig eingesetzt wird.
UNIFAC ist von UNIQUAC abgeleitet. UNIQUAC verwendet stoffspezifische Parameter, die aus experimentell ermittelten Daten bestimmt werden mĂźssen. Diese Parameter werden in UNIFAC vorhergesagt, so dass keine gemessenen Daten mehr benĂśtigt werden.
Prinzipien
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]UNIFAC ist eine Gruppenbeitragsmethode, die auf dem Prinzip der Mischung aus Strukturgruppen basiert. Dies steht im Gegensatz zu der normalen Betrachtungsweise der Mischung aus Molekßlen. Die Gruppen sind dabei ßblicherweise funktionelle Gruppen, bspw. Alkohol- oder Carbonylgruppe, aber auch kleinere Molekßlfragmente wie einzelne Atome, jedoch werden diese kleinen Fragmente stets unter Berßcksichtigung ihrer chemischen Umgebung betrachtet. Einige wenige kleinere Molekßle (etwa Wasser) werden vollständig als eigenständige Gruppe definiert.
Gruppenbeitragsmethodenprinzip
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]
Das Prinzip der Gruppenbeitragsmethoden besteht im Wesentlichen darin, dass nur die Eigenschaften einiger Dutzend Strukturgruppen bekannt sein mĂźssen, statt die Eigenschaften von einigen Millionen Stoffen fĂźr die Berechnung von Stoffgemischeigenschaften zu benĂśtigen. Mit diesen wenigen Strukturgruppen als Bausteinen kann eine sehr groĂe Anzahl von MolekĂźlen konstruiert werden.
UNIFAC-Gruppenbeiträge
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]UNIFAC benutzt zur Vorhersage zwei Arten von Gruppenbeiträgen:
- Additive Beiträge, die sehr kleinen Gruppen (Untergruppen) zugeordnet werden. Dies sind Gruppenvolumina und Gruppenoberflächen.
- Wechselwirkungsparameter zwischen grĂśĂeren Gruppen, die mehrere ähnliche Untergruppen umfassen.
Die Gruppenvolumina- und oberflächen basieren auf angenäherten van der Waalsschen Oberflächen und Volumina[3] und sind somit Konstanten im Modell, die einen physikalisch-chemischen Hintergrund haben.
Die Wechselwirkungsparameter werden an experimentelle Aktivitätskoeffizienten sowie an Phasengleichgewichtsdaten, aus denen Aktivitätskoeffizienten abgeleitet werden kĂśnnen, mit nichtlinearen Optimierverfahren angepasst. Die Wechselwirkungsparameter werden somit ausschlieĂlich empirisch ermittelt.
Aktuelle Parametrisierung
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]
Das UNIFAC-Modell erlaubt die Vorhersage von Aktivitätskoeffizienten in Gemischen mit Alkanen, Alkenen, Alkinen, Alkoholen, Aromaten, Estern, Ethern, Aminen, Carbonsäuren, organischen Fluoriden, organischen Chloriden, organischen Bromiden, organischen Iodiden, Thiolen, Sulfonen, Wasser, Furfural, Thiophenen, Pyridinen, Morpholin, Isocyanaten, Silanen, Siloxanen, Amiden und organischen Nitraten.
Fßr diese funktionellen Gruppen sind Wechselwirkungsparameter mit mindestens einer der anderen Gruppen vorhanden. Es sind jedoch nicht alle Kombinationen vollständig parametrisiert, bspw. kann ein Aktivitätskoeffizient eines Gemisch aus 3-Methylthiophen und n-Hexan berechnet werden, eine Vorhersage eines Aktivitätskoeffizienten in einem Gemisch des Thiophens mit 3-Hexen scheitert jedoch an fehlenden Parametern.
UNIFAC kann nicht verwendet werden, um Aktivitätskoeffizienten in Gemischen zu berechnen, die Salze bzw., allgemeiner, Elektrolyte oder Polymere enthalten. Fßr diese beiden Stoffklassen gibt es aber Erweiterungen des hier beschriebenen UNIFAC-Modells.
Gleichungen
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]AusfĂźhrliche Formulierungen kĂśnnen im Originalartikel gefunden werden oder auch in LehrbĂźchern.[5][6]
Die Berechnung des Aktivitätskoeffizienten erfolgt additiv ßber zwei Terme:
Kombinatorischer Anteil
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]γC wird als kombinatorischer Anteil bezeichnet und wird aus van der Waalsschen Oberflächen (F) und Volumina (V) sowie Molenbrßchen (x) berechnet.
mit
Neben den Molenbrßchen werden van der Waalsche Oberflächen qi und Volumina ri der Molekßle benÜtigt. Diese lassen sich aus tabellierten Werten fßr die Gruppen (Gruppenoberfläche Qk und Gruppenvolumen Rk) bestimmen.
νk(i) ist die Häufigkeit der Gruppe k im Molekßl i.
Restanteil
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]ÎłR wird als Restanteil bezeichnet und wird schlussendlich aus angepassten Wechselwirkungsparametern berechnet.
Der Restanteil wird aus Gruppenaktivitätskoeffizienten Îk berechnet.
Die Gruppenaktivitätskoeffizienten in der Mischung Îk und im Reinstoff Îk(i) werden Ăźber die Beziehung
berechnet.
Πist der Oberflächenanteil
und X der Gruppenmolenbruch.
Der Parameter Ď enthält die anpassbaren Parameter des UNIFAC-Modells.
mit anm als Wechselwirkungsparameter zwischen den Gruppen.
Beispielrechnung
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]
Geschichte
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]UNIFAC wurde in den 1970er Jahren entwickelt, wobei der Schwerpunkt zu Beginn alleine auf die Vorhersage von Dampf-Flßssig-Gleichgewichten von Mischungen einfacher, im Wesentlichen organischer Substanzen und von Wassergemischen gelegt wurde. Da fßr die Modellentwicklung Aktivitätskoeffizienten fßr eine Vielzahl von Gemischen benÜtigt wurden, wurde mit dem Aufbau einer Faktendatenbank (der Dortmunder Datenbank) begonnen, die noch heute existiert, wenn auch in stark erweiterter und veränderter Form.
Da Aktivitätskoeffizienten es auch erlauben, mit einfachen thermodynamischen Beziehungen Fest-Flßssig-Gleichgewichte (LÜslichkeiten von Feststoffen in Flßssigkeiten) und Flßssig-Flßssig-Gleichgewichte (siehe hierzu Mischungslßcke) zu berechnen, wurde das UNIFAC-Modell in den achtziger Jahren auch zunehmend fßr die Berechnung dieser Phasengleichgewichte verwendet. Die dabei zutage tretenden Modellschwächen des Originalmodells fßhrte zum einen zur Entwicklung von speziell parametrisierten Modellen fßr die Berechnung von Flßssig-Flßssig-Gleichgewichten (UNIFAC-LLE) und später zu einem Modell fßr die Abschätzung von Octanol-Wasser-Verteilungskoeffizienten.[7] Zum anderen wurde das Modell selbst erweitert, bspw. um temperaturabhängige Wechselwirkungsparameter:
Diese erweiterten Modelle werden als modifizierte UNIFAC-Modelle[8] bezeichnet.
Bedeutung
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]UNIFAC (insbesondere die neueren Varianten) ist heute das am häufigsten verwendete Verfahren zur Abschätzung von Stoffgemischdaten. Die Vorhersagen werden bspw. in der Prozesssimulation verwendet, dem heute vorherrschenden Verfahren zur Auslegung und Optimierung chemischer Prozesse, Anlagen und ganzer Fabriken. UNIFAC wird auĂerdem bei der Prozesssynthese verwendet, bei dem, sehr allgemein formuliert, Stoffe mit bestimmten Eigenschaften fĂźr bestimmte Aufgaben gesucht werden. Diese Aufgabe kann bspw. die eines Schleppmittels fĂźr die Azeotrop- oder Extraktivrektifikation sein.
Aktuelle Entwicklungen
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]UNIFAC wird in einer Reihe von Forschungsgruppen genutzt und weiterentwickelt. Aktuelle Entwicklungen (Auswahl) zielen auf
- die Berechnung von Elektrolyt-haltigen Mischungen[9]
- die Abschätzung von Viskositäten[10]
- die Integration von UNIFAC in Mischungsregeln fĂźr Zustandsgleichungen (PSRK)[11]
- die Vorhersage von UNIFAC-Wechselwirkungsparametern[12]
- die Erweiterung des UNIFAC-Modells auf spezielle Stoffgruppen[13]
- die Ableitung des UNIFAC-Modells zur Vorhersage von Verdampfungsenthalpien und Exzessenthalpien: Gruppenbeitragsmodelle UNIVAP & EBGCM[14]
- die Ăberarbeitung von Wechselwirkungsparametern fĂźr bestehende Gruppen und die Ergänzung von Wechselwirkungsparametern fĂźr neue funktionelle Gruppen, um die Anwendbarkeit und die Qualität des UNIFAC-Modells zu verbessern (UNIFAC-Konsortium).
Literatur
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]- â A. Fredenslund, R. L. Jones, J. M. Prausnitz: Group-Contribution Estimation of Activity Coefficients in Nonideal Liquid Mixtures. In: AIChE J. 21(6), 1975, S. 1086â1099.
- â Ă . Fredenslund, J. Gmehling, P. Rasmussen: Vapor-Liquid Equilibria Using UNIFAC - A Group Contribution Method. Elsevier, Amsterdam 1977.
- â A. Bondi: van der Waals Volumes and Radii. In: J.Phys.Chem. 68(3), 1964, S. 441â451.
- â R. Wittig, J. Lohmann, J. Gmehling: Vapor-Liquid Equilibria by UNIFAC Group Contribution. 6. Revision and Extension. In: Ind.Eng.Chem.Res. 42(1), 2003, S. 183â188.
- â J. Gmehling, B. Kolbe: Thermodynamik. 2. Auflage. VCH-Verlag, Weinheim 1992.
- â J. Vidal: Thermodynamique. MĂŠthodes appliquĂŠes au raffinage et au GĂŠnie Chimique. Editions Technip, 1997.
- â Gudrun Wienke: Messung und Vorausberechnung von n-Octanol/Wasser-Verteilungskoeffizienten. Doktorarbeit. Univ. Oldenburg, 1993, S. 1â172.
- â U. Weidlich, J. Gmehling: A Modified UNIFAC Model. 1. Prediction of VLE, hE, and Îłâ. In: Ind.Eng.Chem.Res. 26(7), 1987, S. 1372â1381.
- â H.-M. Polka: Experimentelle Bestimmung und Berechnung von Dampf-FlĂźssig-Gleichgewichten fĂźr Systeme mit starken Elektrolyten. Doktorarbeit. Univ. Oldenburg, 1993, S. 1â144.
- â Y. Gaston-Bonhomme, P. Petrino, J. L. Chevalier: UNIFAC-VISCO Group Contribution Method for Predicting Kinematic Viscosity: Extension and Temperature Dependence. In: Chem.Eng.Sci. 49(11), 1994, S. 1799â1806.
- â T. Holderbaum: Die Vorausberechnung von Dampf-FlĂźssig-Gleichgewichten mit einer Gruppenbeitragszustandsgleichung. In: Fortschrittsber. VDI Reihe 3, 243, 1991, S. 1â154.
- â H. E. GonzĂ lez, J. Abildskov, R. Gani, P. Rousseaux, B. Le Bert: A method for prediction of UNIFAC group interaction parameters. In: AIChE J. 53, 2007, S. 1620â1633.
- â Y. Zhang, X. Zhang, W. Zhang, H. Qu, W. Wang: Prediction of Solid-Liquid Equilibrium to Synthetic Nitro-Musk by using UNIFAC Group-Contribution Method. In: Huaxue-gongcheng. 33(5), 2005, S. 69â71.
- â P. Ulbig: Gruppenbeitragsmodelle UNIVAP & EBGCM. Entwicklung der Gruppenbeitragsmodelle UNIVAP und EBGCM zur Vorhersage thermodynamischer GrĂśĂen sowie Bestimmung der Modellparameter unter Verwendung evolutionärer Algorithmen. Hannemann-Verlag, 1996, ISBN 3-920088-70-0.