Taudichten fluider Gemische - Neue Methoden zur Messung und Modellierung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Markus Richter
• Fachliche Zuordnung: Technische Thermodynamik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 269357610

• Erstellungsjahr: 2022

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Zur genauen Messung der Taudichten von fluiden Gemischen wurden im Rahmen der Emmy Noether-Gruppe neue Messmethoden entwickelt, die es erlauben Messdaten verfälschende Sorptionseffekte in der Nähe der Taulinie zu quantifizieren, um diese schließlich korrigieren zu können. Dabei stand die am National Institute of Standards and Technology aufgebaute Zwei- Senkkörper Dichtemessanlage zur Verfügung, die so modifiziert wurde, dass in der Messzelle unabhängige Wägungen eines Dichte- und eines Sorptions-Senkkörpers durchgeführt werden konnten. Zudem wurde eine kommerzielle Magnetschwebewaage für Messungen an Adsorbentien mit großen spezifischen Oberflächen hin zu einer sogenannten Tandem-Senkörper-Dichtemessanlage optimiert, um genaue Dichtemessungen in Kombination mit Sorptionsmessungen an quasi nicht porösen metallischen Oberflächen (also solche von Senkkörpern) durchführen zu können. Beide Messmethoden sind jedoch im Hinblick auf eine geringe Messunsicherheit limitiert, weshalb eine Präzisions-Dichtemessanlage nach dem neu entwickelten Vier-Senkkörper-Prinzip aufgebaut wurde. Bei dieser neuen Methode werden zwei Dichte-Senkköper genutzt, um das etablierte Zwei-Senkkörper-Verfahren als Differenzenverfahren für hochgenaue Dichtemessungen anwenden zu können; zwei weitere Sorptions-Senkkörper werden verwendet, um die störenden Sorptionseffekte erstmals mit sehr geringer Messunsicherheit bestimmen zu können. In Summe wurden verschiedene Messreihen mit CO2, C2H6 und C3H8 sowie an den binären Systemen (Ar + CO2), (C2H6 + CO2), (C3H8 + CO2), (H2 + CO2) und (CH4 + C3H8) durchgeführt. Die Messdaten wurden verwendet, um ein empirisches Korrekturmodell zu entwickeln, dass es erstmalig ermöglicht, von Sorptionseffekten verfälschte Messungen nahe der Taulinie zu korrigieren. Bei der Analyse der experimentellen Daten ergab sich der Bedarf, ein besseres Verständnis für die auftretenden Oberflächenphänomene auf atomistischer Ebene zu entwickeln, weshalb Molekulardynamik-Simulationen im NVT-Ensemble durchgeführt wurden. Die Simulation von Adsorptionsisothermen bis hin zum Taupunkt auf quasi nicht porösen metallischen Oberflächen unter Einbeziehung der realen Oberflächenstruktur ist zunächst aufwändig und nicht trivial. Dennoch haben die Simulationen gezeigt, dass diese das Potential bieten das in diesem Projekt entwickelte empirische Korrekturmodell zukünftig zu verbessern, sodass letztlich eine genaue Bestimmung von Taudichten fluider Gemische möglich wird.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• A novel experimental approach for the investigation of sorption phenomena near dew points of fluid mixtures. Poster, 12th International Conference on the Fundamentals of Adsorption, Friedrichshafen, Germany, 2016
  Richter, M. & McLinden, M. O.
  
• Application of a two-sinker densimeter for phase-equilibrium measurements: A new technique for the detection of dew points and measurements on the (methane + propane) system. The Journal of Chemical Thermodynamics, 99, 105-115.
  McLinden, Mark O. & Richter, Markus
  
• Development of a special densimeter for the investigation of sorption phenomena near dew points of fluid mixtures. Poster, Thermodynamik-Kolloquium, Kaiserslautern, Germany, 2016.
  Moritz, K.; Kleinrahm, R.; McLinden, M. O. & Richter, M.
  
• Application of a commercial densimeter to compare sorption phenomena on porous and nonporous media. Talk, European Conference on Thermophysical Properties, Graz, Austria, 2017
  Yang., X.; Ben Souissi, M. A.; Kleinrahm, R.; McLinden, M. O. & Richter, M.
  
• Densimetry for the Quantification of Sorption Phenomena on Nonporous Media Near the Dew Point of Fluid Mixtures. Scientific Reports, 7(1).
  Richter, Markus & McLinden, Mark O.
  
• Development of a new densimeter for the combined investigation of dew-point densities and sorption phenomena of fluid mixtures. Measurement Science and Technology, 28(12), 127004.
  Moritz, Katharina; Kleinrahm, Reiner; McLinden, Mark O. & Richter, Markus
  
• Dew- Point densities of fluid mixtures – New approaches for measurement and modeling. Vortrag, Thermodynamik-Kolloquium, Dresden, Germany, 2017
  Ben Souissi, M. A.; McLinden, M. O.; Moritz, K.; Richter, M.; Tietz, C. & Yang, X.
  
• Linking Densimetry and Molecular Simulation to Quantify Sorption Phenomena on Nonporous Surfaces. Poster, SAFT Konferenz, Heidelberg, Germany, 2017
  Tietz, C. & Richter, M.
  
• Quantification of sorption phenomena on nonporous media near mixture dew points by densimetry. Talk, European Conference on Thermophysical Properties, Graz, Austria, 2017
  Richter. M.; McLinden, M. O.; Kleinrahm, R.; Moritz, K. & Tietz, C.
  
• Vapor-Phase (p, ρ, T, x) Behavior and Virial Coefficients for the Binary Mixture (0.05 Hydrogen + 0.95 Carbon Dioxide) over the Temperature Range from (273.15 to 323.15) K with Pressures up to 6 MPa. Journal of Chemical & Engineering Data, 62(9), 2973-2981.
  Ben, Souissi Mohamed A.; Kleinrahm, Reiner; Yang, Xiaoxian & Richter, Markus
  
• Development of a Special Densimeter for the Investigation of Sorption Phenomena Near Dew Points of Fluid Mixtures. Vortrag, 20th Symposium on Thermophysical Properties, Boulder (CO), USA, 2018
  Moritz, K.; Kleinrahm, R.; McLinden, M. O. & Richter, M.
  
• Dew-Point Densities of Fluid Mixtures - An Outlook for New Experimental and Modeling Approaches. Eingeladener Vortrag, 20th Symposium on Thermophysical Properties, Boulder (CO), USA, 2018
  Richter, M.; Moritz, K.; Kleinrahm, R.; McLinden, M. O.; Yang, X. & Tietz, C.
  
• Linking Fluid-Mixture Densimetry and Molecular Simulation for the Quantification of Sorption Phenomena on Nonporous Metal Surfaces. Vortrag, 20th Symposium on Thermophysical Properties, Boulder (CO), USA, 2018
  Tietz, C. & Richter, M.
  
• Measurement of sorption phenomena near dew points of fluid mixtures: concept for the combination of gravimetric sorption analysis and Raman spectroscopy. Measurement Science and Technology, 29(10), 105501.
  Lipinski, Gregor; Holzammer, Christine; Petermann, Marcus & Richter, Markus
  
• Systematic Investigation of the Force Transmission Error in a Tandem-Sinker Densimeter Based on a Magnetic- Suspension Balance. Vortrag, 20th Symposium on Thermophysical Properties, Boulder (CO), USA, 2018
  Yang., X.; McLinden, M. O.; Kleinrahm, R. & Richter, M.
  
• Vapour-phase (p, ρ, T, x) behaviour and virial coefficients for the (ethane + carbon dioxide) system. The Journal of Chemical Thermodynamics, 122, 204-213.
  Yang, Xiaoxian; Ben, Souissi Mohamed A.; Kleinrahm, Reiner & Richter, Markus
  
• Analysis of the systematic force-transmission error of the magnetic-suspension coupling in single-sinker densimeters and commercial gravimetric sorption analyzers. Adsorption, 25(4), 717-735.
  Kleinrahm, Reiner; Yang, Xiaoxian; McLinden, Mark O. & Richter, Markus
  
• Experimental Investigation of Surface Phenomena on Quasi Nonporous and Porous Materials Near Dew Points of Pure Fluids and Their Mixtures. Industrial & Engineering Chemistry Research, 59(7), 3238-3251.
  Yang, Xiaoxian & Richter, Markus
  
• Linking Fluid Densimetry and Molecular Simulation: Adsorption Behavior of Carbon Dioxide on Planar Gold Surfaces. Industrial & Engineering Chemistry Research, 59(29), 13283-13289.
  Tietz, Christopher; Sekulla, Markus; Yang, Xiaoxian; Schmid, Rochus & Richter, Markus
  
• Uncertainty analysis of adsorption measurements using commercial gravimetric sorption analyzers with simultaneous density measurement based on a magnetic-suspension balance. Adsorption, 26(4), 645-659.
  Yang, Xiaoxian; Kleinrahm, Reiner; McLinden, Mark O. & Richter, Markus
  
• Combination of Molecular Dynamics Simulation and Gravimetric Experiments: The Key to Accurate Dew-Point Densities? Poster, 21th Symposium on Thermophysical Properties, Boulder (CO), USA, 2021
  Bernardini, L.; Sekulla, M. & Richter, M.
  
• Raman Sensor for the Determination of Gas Solubility. Physchem, 1(2), 176-188.
  Lipinski, Gregor & Richter, Markus
  
• The Four-Sinker Densimeter – A new Gravimetric Apparatus for Accurate Measurements of Fluid Mixture Dew-Point Densities. Vortrag, 21th Symposium on Thermophysical Properties, Boulder (CO), USA, 2021
  Moritz, K.; Kleinrahm, R.; McLinden, M. O.; Bernardini, L. & Richter, M.
  
• Application of Raman Spectroscopy for Sorption Analysis of Functionalized Porous Materials. Advanced Science, 9(9).
  Lipinski, Gregor; Jeong, Kwanghee; Moritz, Katharina; Petermann, Marcus; May, Eric F.; Stanwix, Paul L. & Richter, Markus