Non-Random-Two-Liquid-Modell

Das Non-Random-Two-Liquid-Modell^[1] (kurz NRTL-Gleichung, dt. nicht-zufällig, zwei Flüssigkeiten) ist ein thermodynamisches Modell, das die Aktivitätskoeffizienten $ \gamma $ eines chemischen Stoffgemischs mit seiner Zusammensetzung, ausgedrückt durch Molenbrüche $ x $, korreliert.

Der Ausdruck „Non Random“, „nicht zufällig“ bezieht sich auf die Struktur der Flüssigkeit und die Anordnung der Moleküle. Während das Porter-, van Laar- und Margules-Modell die strukturierte Anordnung der Moleküle nicht berücksichtigen, wird dies beim Wilson-, Uniquac- und NRTL-Modell eingeführt.

Das NRTL-Modell gilt als das beste VLE-Modell. Die Mindestzahl der binären Parameter sind 2. Inzwischen ist das Modell auf bis zu 9 Parameter ausgebaut. Mit dem NRTL-Modell lassen sich auch LLE, d.h. Flüssig-Flüssig- und SLE, d.h. Fest-Flüssig Gleichgewichte sehr gut simulieren.

NRTL-Modelle gehören zur Klasse der g^E-Modelle, da sie auch die freie Exzessenthalpie $ G^{E} $ (Exzessgröße der freien Enthalpie $ G $) verwenden.

Gleichungen

Für ein binäres Gemisch gelten folgende Gleichungen^[2]:

$ \ln \gamma _{1}=x_{2}^{2}\left[\tau _{21}\left({\frac {G_{21}}{x_{1}+x_{2}G_{21}}}\right)^{2}+{\frac {\tau _{12}G_{12}}{(x_{2}+x_{1}G_{12})^{2}}}\right] $

$ \ln \gamma _{2}=x_{1}^{2}\left[\tau _{12}\left({\frac {G_{12}}{x_{2}+x_{1}G_{12}}}\right)^{2}+{\frac {\tau _{21}G_{21}}{(x_{1}+x_{2}G_{21})^{2}}}\right] $

mit

$ \ln G_{12}=-\alpha _{12}\tau _{12} $

$ \ln G_{21}=-\alpha _{21}\tau _{21} $

$ \tau _{12} $ und $ \tau _{21} $ sowie $ \alpha _{12} $ sind Parameter, die an die Aktivitätskoeffizienten angepasst werden.

Zumeist werden jedoch die Parameter $ \tau $ noch über die Beziehungen

$ \tau _{12}={\frac {\Delta g_{12}}{RT}} $

$ \tau _{21}={\frac {\Delta g_{21}}{RT}} $

mit der Gaskonstante $ R $ und der Temperatur $ T $ skaliert und dann die Parameter $ \Delta g_{12} $ und $ \Delta g_{21} $ angepasst.

Temperaturabhängige Parameter

Sind Aktivitätskoeffizienten über einen größeren Temperaturbereich vorhanden (etwa aus Dampf- Flüssig- und zugleich aus Fest-Flüssig-Gleichgewichten), so können temperaturabhängige Parameter eingeführt werden.

Zwei Ansätze sind gebräuchlich:

$ {\begin{aligned}\tau _{ij}&=f(T)=a_{ij}+{\frac {b_{ij}}{T}}+c_{ij}\ln T+d_{ij}T\\\Delta g_{ij}&=f(T)=a_{ij}+b_{ij}\cdot T+c_{ij}T^{2}\end{aligned}} $

Einzelne Terme können weggelassen werden. Bspw. wird der logarithmische Term zumeist nur benutzt, wenn Flüssig-Flüssig-Gleichgewichte (Mischungslücken) modelliert werden müssen.

Herkunft der Aktivitätskoeffizienten

Die benötigten Aktivitätskoeffizienten werden zumeist aus experimentell bestimmten Phasengleichgewichten (Dampf-Flüssig, Flüssig-Flüssig, Fest-Flüssig) sowie aus Mischungswärmen abgeleitet. Quelle dieser experimentellen Daten sind Faktendatenbanken wie etwa die Dortmunder Datenbank. Alternativ werden die Aktivitätskoeffizienten direkt experimentell bestimmt oder mit Vorhersagemodellen, etwa UNIFAC, bestimmt.

Siehe auch

• Margules-Gleichung

Literatur