Thermodynamics of droplets under extreme ambient conditions by molecular simulation
Final Report Abstract
Es wurde eine neue Apparatur zur Gaslöslichkeitsmessung konstruiert und damit Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewichtsdaten der binären Mischungen Stickstoff + Aceton und Sauerstoff + Aceton vermessen. Die Daten wurden u.a. dazu verwendet, die Peng-Robinson ZGL zu parametrisieren, um auch für Zustandsgebiete für die noch keine experimentellen Daten vorliegen Stoffdaten abschätzen zu können. Zur Erweiterung der experimentellen Datenbank wurde eine neue Hochtemperatur und –druck-Anlage zur Gaslöslichkeitsmessung konstruiert und damit Siedelinien der Mischung Stickstoff + Aceton bei verschiedenen Temperaturen und Drücken vermessen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewicht (VLE) der Mischungen Stickstoff + Aceton und Sauerstoff + Aceton auch durch molekulare Simulation bestimmt. Dafür wurde ein neues molekulares Kraftfeld-Modell für Aceton entwickelt, validiert und mit vier molekularen Modellen aus der Literatur verglichen. Mit diesem Modell konnten auch Transporteigenschaften mit hoher Genauigkeit vorhergesagt werden. Parallel zum neuen molekularen Modell für Aceton wurde eine langreichweitige Korrektur (LRC) für molekulare Kraftfeldmodelle mit mehreren Lennard-Jones Zentren in das hochskalierbare Molekulardynamik (MD) Simulationsprogramm "ls1 mardyn" implementiert. Diese Implementierung der LRC wurde dann ausgenutzt, um sowohl die VLE der Reinstoffkomponenten Aceton, Sauerstoff und Stickstoff als auch deren binäre Mischungen mit der direkten Simulationsmethode zu untersuchen. Neben dem Sampling von Dichteprofilen wurde die Oberflächenspannung direkt während der Simulation mit dem Virialansatz nach Irving und Kirkwood bestimmt. Neben der Betrachtung von Grenzflächen und deren Eigenschaften im VLE wurden diese auch unter globalen Nichtgleichgewichtsbedingungen betrachtet. Die stationären Bedingungen wurden dabei durch Wiedereinsetzen der an der Vakuum-Randbedingung gerausgenommenen Teilchen in die Flüssigkeit erreicht. Während den Simulationen wurden u.a. Profile von Temperatur, Dichte, hydrodynamische Geschwindigkeit und Teilchenstrom gesampelt. Der ermittelte Teilchenstrom wurde mit dem aus der Annahme von Hertz verglichen, um den Verdampfungskoeffizienten alpha alpha zu berechnen. Diese grundlegenden Untersuchungen wurden fortgesetzt, jedoch mit dem noch weniger rechenintensiven Lennard-Jones Truncated and Shifted (LJTS) Modellfluid und der quasi-stationären Simulationsmethode. In einer ersten Simulationsreihe wurde der Abstand LLnn zwischen der thermostatisierten Kernflüssigkeit und der Grenzfläche variiert und alle anderen Randbedingungen konstant gehalten. Ein zentrales Ergebnis dieser Studie ist, dass der Teilchenstrom und damit die Verdampfungsgeschwindigkeit bei der Betrachtung eines Reinstoffs nur von der Temperatur der Flüssigkeit an der Grenzfläche abhängen, sofern die Randbedingung im Gas konstant ist. Schließlich wurde ein analytisches Modell für ein Verdampfungsszenario entwickelt, bei dem eine binäre flüssige Mischung in eine Inertgasatmosphäre verdampft, basierend auf einer hydrodynamischen Beschreibung des Systems. Die analytische Lösung des Modells ist für planare Oberflächen ein Analogon des d2-Gesetzes für Tropfen. Die daraus resultierenden Ergebnisse wurden mit denen aus großskaligen MD Simulationen validiert, bei denen ebenfalls die quasi-stationäre Simulationsmethode angewandt wurde.
Publications
- Vapor−Liquid Equilibrium Measurements of the Binary Mixtures Nitrogen + Acetone and Oxygen + Acetone, Journal of Chemistry & Engineering Data 57 (2012) 1672-1677
T. Windmann, A. Köster, J. Vrabec, R. Span
(See online at https://doi.org/10.1021/je201058j) - Surface Tension, Large Scale Thermodynamic Data Generation and Vapor-Liquid Equilibria of Real Compounds. In: Nagel W., Kröner D., Resch M. (eds) High Performance Computing in Science and Engineering ‘13. Springer, Cham (2013) 635-646
S. Eckelsbach, S. Miroshnichenko, G. Rutkai, J. Vrabec
(See online at https://doi.org/10.1007/978-3-319-02165-2_44) - Evaporation from a free liquid surface, International Journal of Heat and Mass Transfer 73 (2014) 303-317
A. Lotfi, J. Vrabec, J. Fischer
(See online at https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2014.02.010) - Fluid phase behavior of nitrogen + acetone and oxygen + acetone by molecular simulation, Experiment and the Peng−Robinson Equation of State, Journal of Chemistry & Engineering Data 59 (2014) 28-38
T. Windmann, M. Linnemann, J. Vrabec
(See online at https://doi.org/10.1021/je400691f) - Long-range correction for multi-site Lennard-Jones models and planar interfaces, Molecular Physics 112 (2014) 2227-2234
S. Werth, G. Rutkai, J. Vrabec, M. Horsch, H. Hasse
(See online at https://doi.org/10.1080/00268976.2013.861086) - Fluid phase interface properties of acetone, oxygen, nitrogen and their binary mixtures by molecular simulation, Physical Chemistry Chemical Physics 17 (2015) 27195-27203
S. Eckelsbach, J. Vrabec
(See online at https://doi.org/10.1039/c5cp03415a) - Communication: Evaporation: Influence of the heat transport in the liquid on the interface temperature and the particle flux, The Journal of Chemical Physics 145 (2016) 081101
M. Heinen, J. Vrabec, J. Fischer
(See online at https://doi.org/10.1063/1.4961542) - Diffusion limited evaporation of a binary liquid film, International Journal of Heat and Mass Transfer 73 (2019) 303-317
R. S. Chatwell, M. Heinen, J. Vrabec
(See online at https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.12.030)
