Accurate determination of binary gas diffusion coefficients by using laser-optical measurement methods and molecular dynamics simulations
Third party funded individual grant
Start date : 01.04.2017
End date : 31.03.2020
Project details
Scientific Abstract
Das Hauptziel des beantragten Forschungsprojekts ist die genaue Bestimmung von binären Diffusionskoeffizienten in binären Gasgemischen unter Verwendung von experimentellen und theoretischen Methoden. Dabei sollen für die Systeme Methan-Kohlenstoffdioxid und Methan-Propan die laser-optischen Messtechniken dynamische Lichtstreuung (DLS) und holografische Interferometrie ‒ letztere angewandt an einer Loschmidt Zelle (HILC) ‒ sowie molekular-dynamische (MD) Simulationen eingesetzt werden. Um die MD Simulation hinsichtlich der Vorhersage von Diffusionskoeffizienten derartiger Gemische zu verbessern, soll die Methode durch die Verwendung neuartiger, gemischspezifischer Kraftfelder weiterentwickelt werden. Diese sollen von Dr. Robert Hellmann von der Universität Rostock in einem parallel beantragten Forschungsprojekt aus hochgenauen ab initio-Quantenberechnungen für den Fall der Nulldichte abgeleitet werden. Zur Validierung der Resultate aus den MD Simulationen sind die mittels HILC und DLS bestimmten Fickschen binären Diffusionskoeffizienten erforderlich. Während die HILC den binären Diffusionskoeffizienten für verdünnte Gase geringer Dichte liefert, wird diese Transportgröße mithilfe von DLS im dichten hydrodynamischen Regime im makroskopischen thermodynamischen Gleichgewicht ermittelt. Die Experimente sollen einen Kenntnisgewinn über den diffusiven Stofftransport für einen weiten Dichtebereich liefern, wobei Messunsicherheiten von weniger als 1% angestrebt werden. Die mittels HILC gewonnenen Daten sollen ferner mit von Dr. Hellmann theoretisch ermittelten binären Diffusionskoeffizienten verglichen werden, um seine Berechnungen im Bereich der Nulldichte zu validieren. Dr. Hellmann soll dann die theoretischen Daten verwenden, um geeignete Kraftfelder für die von uns über einen weiten Dichtebereich in der Gasphase durchgeführten MD Simulationen zu entwickeln. Auf Basis dieser Kraftfelder soll eine verlässlichere Vorhersage von Diffusionskoeffizienten durch MD Simulationen ermöglicht werden, indem – ähnlich wie bei der DLS – mikroskopische Fluktuationen hinsichtlich der resultierenden Transportkoeffizienten analysiert werden. Dafür sind unabhängige Berechnungen der Selbstdiffusionskoeffizienten der Mischungskomponenten im Reinstoff und im Gemisch sowie des Maxwell-Stefan-Diffusionskoeffizienten und des thermodynamischen Faktors durchzuführen. Aus der Kombination der beiden zuletzt genannten Größen kann der Ficksche binäre Diffusionskoeffizient vorhergesagt werden, der mit den experimentellen Resultaten zu vergleichen ist. Zudem kann aus der Entkopplung des molekularen Diffusionsprozesses in den MD Simulationen geprüft werden, wie die verschiedenen Stofftransportkoeffizienten miteinander verknüpft sind und mit bekannten Vorhersagen übereinstimmen. Die simulierten Diffusionsdaten, die auf Basis der neu entwickelten Kraftfelder für die Reinstoffe und die spezifischen Gemische erhalten werden, sollen mit jenen Werten verglichen werden, die aus der Anwendung von typischen Reinstoff-Kraftfeldern aus der Literatur resultieren. Dies soll aufzeigen, ob insbesondere die Anwendung von paarspezifischen Kraftfeldern eine genauere Berechnung von Diffusionskoeffizienten erlaubt und wie gut die simulierten Daten mit jenen übereinstimmen, die aus Quantenberechnungen bei Nulldichte und aus den Experimenten über einen weiten Dichtebereich erzielt werden.
Involved:
Andreas Paul Fröba
Project Leader
Thomas Manfred Koller
Project Member
Michael Rausch
Project Member
