Vorhersage von Mischungen im computergestützten Molekül- und Prozessdesign

• Antragsteller: Dr. Philipp Rehner
• Fachliche Zuordnung: Technische Thermodynamik
• Förderung: Förderung von 2021 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 497566159

Das Ziel eines integrierten Molekül- und Prozessdesigns ist es, die optimalen Prozessmaterialien zusammen mit der optimalen Prozesskonfiguration zu finden. Beispiele für Prozessmaterialien, die die Leistung des Prozesses erheblich beeinflussen, aber nicht in den Feed- oder Produktströmen vorkommen, sind die Arbeitsfluide in Wärmepumpen, Kältemittel und Lösungsmittel in Prozessen wie der Gasadsorption. Um die Moleküle in solchen Prozessen optimieren zu können, sind prädiktive Modelle für thermodynamische Eigenschaften erforderlich, die auf den gesamten molekularen Designraum anwendbar sind. In diesem Projekt werden zwei Modellierungsansätze, homosegmentierte und heterosegmentierte Gruppenbeitragsmethoden, miteinander verglichen und erweitert im Hinblick auf ihre Anwendbarkeit auf Gemische. Bei homosegmentierten Gruppenbeitragsmethoden besteht die Herausforderung in der Vorhersage von binären Wechselwirkungskoeffizienten, die für eine genaue Vorhersage des thermodynamischen Verhaltens von Mischungen erforderlich sind. Heterosegmentierte Gruppenbeitragsmethoden versprechen eine bessere Beschreibung von Gemischen, da die Heterogenität der Moleküle auf einer feineren Ebene aufgelöst wird. Die Herausforderung besteht hier in der Formulierung eines Optimierungsproblems, das eine Zielfunktion für die diskreten Moleküle minimiert.Um die Vorteile beider Modellierungsansätze zu ermitteln, werden sie verwendet, um optimale gemischte Arbeitsfluide für einen Organic Rankine Cycle zu finden. Eine besonders interessante Forschungsfrage in diesem Zusammenhang ist, ob der heterosegmentierte Ansatz Isomere als optimale Strukturen identifizieren kann, die der homosegmentierte Ansatz nicht unterscheiden kann. Der leistungsfähigere Ansatz wird dann bei der Optimierung von neuen Prozessen in der Energie- und Chemietechnik eingesetzt.Um ein konsistentes Modell für Bulk- und Grenzflächeneigenschaften zu erhalten, umfasst das Projekt auch ein Arbeitspaket zur Anwendung der heterosegmentierten Gruppenbeitragsmethode auf die Dichtefunktionaltheorie. Das integrierte Molekül- und Prozessdesign für Prozesse, bei denen Grenzflächen eine Rolle spielen (z. B. Adsorptionswärmepumpen oder -kältemaschinen), ist weniger weit entwickelt, weshalb dieses Arbeitspaket einen Beitrag zu den Grundlagen leisten soll, die für zukünftige Optimierungsanwendungen erforderlich sind.Insgesamt zielt dieses Projekt darauf ab, die thermodynamischen Grundlagen der integrierten Molekül- und Prozessoptimierung für Mischungen zu verbessern, um effizientere und damit nachhaltigere Prozesslösungen zu finden.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: Schweiz
• Gastgeber: Professor Dr.-Ing. André Bardow