Steffen Jung

Erarbeitung eines wissensbasierten Systems für die Modellierung von Mehrkomponenten-Mehrphasen-Gleichgewichten

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) vorgelegt an der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 11.07.2002

Abstract
Die effektive und sichere Bereitstellung von Reinstoff- und Gemischeigenschaften stellt die essentielle Grundlage für die Entwicklung, Auslegung und Optimierung verfahrenstechnischer Trennlagen dar. Eine besondere Rolle spielt dabei die Bereitstellung von Phasengleichgewichtseigenschaften. Sie erfolgt im allgemeinen mit Hilfe von Exzeßmodellen und Zustandsgleichungen, deren Modellparameter in einem umfangreichen Modellierungsprozeß an experimentelle Daten angepaßt werden müssen. Speziell bei Berücksichtigung von mehreren flüssigen Phasen wie im Flüssigkeits-Flüssigkeits-Gleichgewicht oder Flüssigkeits-Flüssigkeits-Dampf-Gleichgewicht treten dabei jedoch Probleme auf, die mit standardisierten Methoden nicht durchgängig gelöst werden können.
Vor diesem Hintergund wurde das Konzept für ein heuristisch-numerisches Computersystem entwickelt, das auf einer systematischen und generalisierten Betrachtung des gesamten Modellierungsprozesses beruht. Es werden die Teilkomplexe Reinstoff-und Gemischdaten-Bereitstellung, Eigenschaftsvorhersage (Abschätzung des Mischungsverhaltens binärer Lösungsmittelsysteme), Parameteranpassung, Gleichgewichtsberechnung und Datenvisualisierung charakterisiert. Die diesbezüglich aus unterschiedlichen Quellen bekannten Methoden werden zusammengefaßt und bewertet. Es werden Strategien für eine optimale Verfahrensweise bei der Modellierung von Phasengleichgewichten abgeleitet. Unter Verwendung der logischen Programmiersprache Prolog wurde das wissensbasierte System POLPERT entwickelt, das die in der Arbeit dargestellten Prinzipien zur Modellierung von Mehrkomponenten-Mehrphasen-Gleichgewichten für die praktische Nutzung zugänglich macht.

The effective and secure supply of pure substance and miscibility properties represents the essential basis for development, design and optimization of engineering plants. In this context the supply of phase equilibrium properties plays a special role. In general it will be performed by means of excess models and equations of states, whose model parameters have to be fitted on experimental data in an extensive process of modelling. Especially in consideration of multiple liquid phases (e. g. Liquid-Liquid-Equilibrium, Liquid-Liquid-Vapour-Equilibrium) problems can occur, which cannot be solved by means of standard methods in a closed manner. In view of this background, the concept for an heuristic-numerical computer system was developed, which is based on a systematical and generalized investigation of the whole process of modelling. In detail, it will be characterized by the the supply of pure substance and miscibility properties, prediction of properties (estimation of miscibility behaviour of binary solubility systems), fitting of parameters, equilibrium calculation and visualization of data. Concerning these points known methods from different sources and results from our own investigations were summarized and evaluated. Strategies were derived for a generalized and optimized procedure for modelling of phase equilibrium. The knowledge based system POLPERT was developed by means of the logical programming language Prolog, so that the principles for modelling of multicomponent-multiphase-equilibrium presented in this work are applicably in practice.

Keywords:
flüssig-flüssig, flüssig-flüssig-dampf, Modellierung, Berechnung, Abschätzung, Phasengleichgewicht, Mehrkomponenten-Mehrphasen-Gleichgewicht, Reinstoffeigenschaften, Gemischeigenschaften, wissensbasiert, Exzessmodell, Zustandsgleichung

liquid-liquid, liquid-liquid-vapour, modelling, calculation, estimation, phase equilibrium, multicomponent-multiphase, pure substance properties, miscibility properties, knowledge based, excess model, equation of state

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Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis, Abkürzungs- und Symbolverzeichnis (III-VI)
1. Motivation und Zielstellung (7-11)
2. Grundlagen wissensbasierter Systeme (12-17)
3. Konzeption eines wissensbasierten Systems für die Modellierung von Mehrkomponenten-Mehrphasen-Gleichgewichten (18-22)
4. Bereitstellung von Gemischdaten (23-35)
5. Eigenschaftsvorhersage - Abschätzung des Mischungsverhaltens binärer Systeme (36-48)
6. Modellmäßige Behandlung der Phasengleichgewichte binärer, ternärer und höherer Systeme (49-72)
7. Gleichgewichtsberechnung: Generalisierte Behandlung von Mehrkomponenten- Mehrphasen-Gleichgewichten (73-86)
8. Ein wissensbasiertes System zur Modellierung polynärer Mehrphasengleichgewichte (87-108)
9. Zusammenfassung (109-112)
10. Literaturverzeichnis (113-120)
Anhang (A-1 - A-42)