Gruppenbeitragsmethoden

Erweiterte Suche

Gruppenbeitragsmethoden (auch als Fragmentmethoden bezeichnet) sind ein in der Technischen Chemie weit verbreitetes Verfahren zur Abschätzung von Stoffdaten.

Verfahren

Prinzip einer Gruppenbeitragsmethode

Chemische Eigenschaften, die etwa in der Prozesssimulation benötigt werden, sind immer Eigenschaften eines Stoffes oder einer Mischung von Stoffen. Da es eine nahezu unendliche und exponentiell weiter ansteigende Anzahl reiner Stoffe und Mischungen gibt, sind Gruppenbeitragsmethoden entwickelt worden, die Stoffeigenschaften nicht mehr den ganzen Stoffen zuordnen, sondern Fragmenten.

Der erzielte Effekt ist, dass aus wenigen Gruppeneigenschaften, typischerweise ein Dutzend bis wenige hundert, die Stoffdaten für viele tausend Substanzen und deren Mischungen bestimmt werden können.

Diese Fragmente (die Gruppen) sind im Allgemeinen die funktionellen Gruppen eines Moleküls, wie etwa die Hydroxygruppe (-OH), die Aminogruppe (-NH2) oder die Carboxygruppe (-COOH). Häufig werden als Gruppen auch andere Molekülmerkmale hinzugenommen, wie etwa ortho-/meta-/para-Stellungen an Aromaten, Ringgrößen und Kettenlängen.

Reinstoffeigenschaften

Eine Eigenschaft, hier als Beispiel der kritische Druck, wird über die Summe der Beiträge $ G_i $ errechnet.

$ P_c = f(\sum G_i) $

Typischer werden Reinstoffgrößen wie kritische Temperatur, kritischer Druck, kritisches Volumen, Normalsiedepunkt, Wärmekapazitäten, Viskositäten, Phasenübergangswärmen über diese einfache Beziehung abgeschätzt.

Gemischeigenschaften

Bei Modellen, die Eigenschaften von Mischungen abschätzen, werden häufig nicht allein die Summen der Gruppenbeiträge verwendet, sondern Gruppenwechselwirkungsparameter $ G_{ij} $ und $ G_{ji} $ verwendet.

$ \gamma = f(\sum G_{ij}) + f(\sum G_{ji}) $

Eine Eigenschaft, die typischerweise durch Gruppenwechselwirkungsmodelle wie UNIFAC oder ASOG berechnet wird, ist der Aktivitätskoeffizient $ \gamma $.

Eine negative Auswirkung der Verwendung von Gruppenwechselwirkungen ist die massive Erhöhung der benötigten Parameter. Für 10 Gruppen werden bspw. bereits $ 2*45 $ Wechselwirkungsparameter benötigt. Daher sind Gruppenwechselwirkungsmodelle zumeist nicht vollständig parametrisiert.

Bestimmung der Gruppenbeiträge

Die Gruppenbeiträge werden üblicherweise direkt an experimentell ermittelte Stoffdaten mittels multilinearer oder nichtlinearer Regression angepasst. Nichtlineare Regressionen stellen in aller Regel multimodale Optimierungsprobleme dar, also Optimierungsprobleme mit mehr als einem Optimum im betrachteten Lösungsraum. Zur Anpassung von Gruppenwechselwirkungsparametern werden daher oftmals Evolutionäre Algorithmen (z.B. (verschachtelte) Evolutionsstrategien, Genetische Algorithmen, etc.) eingesetzt, da deterministische Optimierungsalgorithmen in der Regel nicht in der Lage sind, das globale Optimum (bei Regressionen: Minimum) zu finden.

Als Datenbasis experimentell ermittelter Stoffdaten dienen z.B. Faktendatenbanken wie Beilstein, die Dortmunder Datenbank oder die DIPPR 801-Datenbank. Oftmals werden auch zur Ergänzung experimentelle Messungen durchgeführt, wenn es Lücken in der betrachteten Gruppenwechselwirkungsmatrix gibt oder Gruppenbeitragsmethoden zusätzlich eine Temperatur- und/oder Druckabhängigkeit beschreiben.

Literatur

  • Bruce E. Poling, John M. Prausnitz, John P. O'Connell, „The Properties of Gases and Liquids“, McGraw-Hill Publishing Co., 5th Edition
  • Jürgen Gmehling, Bärbel Kolbe, „Thermodynamik“, Georg-Thieme-Verlag, 1988
  • Peter Ulbig, Gruppenbeitragsmodelle UNIVAP & EBGCM, Gelsenkirchen, 1996, ISBN 3-920088-70-0
  • Hannes Geyer, Entwicklung und Untersuchung von Gruppenbeitragsmethoden zur Vorhersage thermodynamischer Stoffgrößen unter Verwendung von Methoden der Computational Intelligence, Shaker, Aachen, 2000, ISBN 3-8265-7000-6

Siehe auch

Weblinks

Diese Artikel könnten dir auch gefallen

Die letzten News aus den Naturwissenschaften

22.07.2021
Galaxien
Nadel im Heuhaufen: Planetarische Nebel in entfernten Galaxien
Mit Daten des Instruments MUSE gelang Forschern die Detektion von extrem lichtschwachen planetarischen Nebeln in weit entfernten Galaxien.
21.07.2021
Sonnensysteme - Sterne
Langperiodische Schwingungen der Sonne entdeckt
Ein Forschungsteam hat globale Schwingungen der Sonne mit sehr langen Perioden, vergleichbar mit der 27-tägigen Rotationsperiode der Sonne, entdeckt.
20.07.2021
Festkörperphysik - Thermodynamik
Ein Stoff, zwei Flüssigkeiten: Wasser
Wasser verdankt seine besonderen Eigenschaften möglicherweise der Tatsache, dass es aus zwei verschiedenen Flüssigkeiten besteht.
19.07.2021
Galaxien - Schwarze_Löcher
Ins dunkle Herz von Centaurus A
Ein internationales Forscherteam hat das Herz der nahegelegenen Radiogalaxie Centaurus A in vorher nicht erreichter Genauigkeit abgebildet.
14.07.2021
Exoplaneten
Ein möglicher neuer Indikator für die Entstehung von Exoplaneten
Ein internationales Team von Astronomen hat als erstes weltweit Isotope in der Atmosphäre eines Exoplaneten nachgewiesen.
13.07.2021
Supernovae
Auf dem Weg zur Supernova – tränenförmiges Sternsystem offenbart sein Schicksal
Astronomen ist die seltene Sichtung zweier Sterne gelungen, die spiralförmig ihrem Ende zusteuern, indem sie die verräterischen Zeichen eines tränenförmigen Sterns bemerkten.
08.07.2021
Festkörperphysik - Quantenphysik
Quantenteilchen: Gezogen und gequetscht
Seit kurzem ist es im Labor möglich, die Bewegung schwebender Nanoteilchen in den quantenmechanischen Grundzustand zu versetzen.
01.07.2021
Festkörperphysik - Teilchenphysik
Ein Kristall aus Elektronen
Forschenden der ETH Zürich ist die Beobachtung eines Kristalls gelungen, der nur aus Elektronen besteht.
29.06.2021
Planeten
Neue Erkenntnisse zur Entstehung des chaotischen Terrains auf dem Mars
Gebiete wie diese gibt es auf der Erde nicht: Sie sind durchzogen von Kratern, Rissen, Kämmen, Tälern, großen und kleinen eckigen Blöcken.
29.06.2021
Festkörperphysik - Quantenoptik
Synthese unter Laserlicht
Eine Forschungsgruppe hat neue Methode zur Bildung von protoniertem Wasserstoff entdeckt.