Chemiereaktoren E-Book

Jens Hagen

• Herausgeber: Wiley-VCH
• Kategorie: Fachliteratur
• Sprache: Deutsch

Seitenzahl: 341

Veröffentlichungsjahr: 2012

Beschreibung

Mittelpunkt eines jeden chemischen Prozesses ist der Chemiereaktor, in dem chemische Umsetzungen unter technischen und möglichst optimalen Bedingungen durchgeführt werden. Unser Buch behandelt die Grundlagen der Chemischen Reaktionstechnik und erläutert alle erforderlichen Auslegungsgleichungen auf Basis der Stoff- und Wärmebilanz unter Berücksichtigung der Stöchiometrie und Kinetik der Reaktionen. Jedes Kapitel enthält vollständig durchgerechnete Beispiele und Übungsaufgaben, für die Lösungen angegeben sind und der Lösungsweg kommentiert wird.

Komplexere Aufgabenstellungen werden unter Einsatz von numerischen Verfahren mit dem Computer gelöst. Das Softwarepaket POLYMATH bietet einen sehr guten Einstieg in die Modellierung und Simulation von Chemiereaktoren - es ist besonders anschaulich und einfach zu erlernen.

Mit einem einmal aufgestellten Modell lässt sich der Einfluss verschiedener Reaktionsparameter auf den Gesamtprozess leicht nachvollziehbar simulieren. Zielgerichtet wird die Modellierung von Problemstellungen geübt, und es werden verständliche Lösungswege aufgezeigt, um praxisbezogene Aufgaben zu lösen.

Vorausgesetzt werden nur Grundkenntnisse in Physikalischer Chemie, insbesondere Reaktionskinetik und Mathematik (Lösung von Differentialgleichungen, Regression).

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Vorwort

Formelzeichen und Abkürzungen

1: Einführung

1.1 Die Aufgaben der Chemischen Reaktionstechnik

1.2 Wirtschaftliche Prozessführung

2: Chemiereaktoren im Überblick

2.1 Betriebsweise und Grundtypen von Chemiereaktoren

2.2 Beurteilungsgrößen für Chemiereaktoren

3: Physikalisch-chemische Aspekte der Reaktionstechnik

3.1 Umsatz und Stöchiometrie

3.2 Das chemische Gleichgewicht

3.3 Reaktionskinetische Gleichungen

3.4 Aufstellen der Materialbilanz

3.5 Aufstellen der Wärmebilanz

4: Grundlagen der Reaktormodellierung und -simulation

4.1 Mathematische Modelle

4.2 Simulation

5: Ideale, isotherm betriebene Reaktoren

5.1 Der diskontinuierlich betriebene Rührkessel

5.2 Der kontinuierlich betriebene Rührkessel

5.3 Das Strömungsrohr

5.4 Reaktoren mit Kreislaufführung

5.5 Halbkontinuierlich betriebene Reaktoren

5.6 Reaktorkombinationen

5.7 Leistungsvergleich der Idealreaktoren

6: Messung und Auswertung kinetischer Daten für den Reaktorbetrieb

6.1 Rückvermischungseffekt bei einfachen Reaktionen

6.2 Reaktordesign für komplexe Reaktionen

6.3 Laborreaktoren für kinetische Untersuchungen

6.4 Analyse kinetischer Daten mittels Regression

7: Nichtideale Reaktoren und Reaktormodelle

7.1 Verweilzeitspektrum

7.2 Verweilzeitsummenfunktion und mittlere Verweilzeit

7.3 Experimentelle Ermittlung der Verweilzeitkurven

7.4 Verweilzeitverteilung und Umsatz in Realreaktoren

7.5 Modellbetrachtungen

7.6 Einfluss der Vermischung auf den Umsatz

8: Reaktorauslegung unter Berücksichtigung des Wärmetransports

8.1 Lenkung des Temperaturverlaufs in Reaktoren

8.2 Wärmeumsatz in Reaktoren

8.3 Wärmetechnische Auslegung von Chemiereaktoren

9: Der Einfluss des Stoffubergangs auf den Reaktorbetrieb

9.1 Fluid-Fluid-Reaktionen

9.2 Heterogen katalysierte Reaktionen

9.3 Druckverlust in Festbettreaktoren

9.4 Reaktionen zwischen Gas, Flüssigkeit und Feststoff

10: Technische Reaktionsführung

10.1 Auswahlkriterien für Chemiereaktoren

10.2 Reaktoren für homogene Reaktionen

10.3 Reaktoren für heterogene Reaktionen

11: Scale-up von Chemiereaktoren

11.1 Problematik der Maßstabsübertragung

11.2 Stofftransport bei Mehrphasenprozessen

11.3 Vermischung in Reaktoren

12: Lösungen zu den Übungsaufgaben

13: Literaturhinweise

Anhang

Stichwortverzeichnis

Weitere empfehlenswerte Bücher:

Vogel, G. H.

Lehrbuch Chemische Technologie

2004, ISBN 3-527-31094-0

Helmus, F. P.

Anlagenplanung

2003, ISBN 3-527-30439-8

Bohnet, M. (Hrsg.)

Mechanische Verfahrenstechnik

2004, ISBN 3-527-31099-1

Sattler, K.

Thermische Trennverfahren

3., überarbeitete und erweiterte Auflage

2001, ISBN 3-527-30243-3

Schmidt, V. M.

Elektrochemische Verfahrenstechnik

2003, ISBN 3-527-29958-0

Storhas, W.

Bioverfahrensentwicklung

2003, ISBN 3-527-28866-X

Autor

Prof. Dr. Jens Hagen

Fachhochschule Mannheim

Hochschule für Technik und Gestaltung,

Verfahrens- und Chemietechnik

Windeckstr. 110

68163 Mannheim

Umschlagfoto Niederdruckmethanolreaktor (Werkfoto Lurgi/Stelljes, Frankfurt am Main).

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Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek

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© 2004 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim.

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Print ISBN 9783527308279

Epdf ISBN 978-3-527-66100-8

Epub ISBN 978-3-527-66060-5

Mobi ISBN 978-3-527-66059-9

Vorwort

Mittelpunkt eines jeden chemischen Prozesses ist der Chemiereaktor, in dem chemische Umsetzungen unter technischen und möglichst optimalen Bedingungen durchgeführt werden. Jeder Chemiker, Chemieingenieur oder Verfahrenstechniker benötigt ein Grundlagenwissen über den Betrieb, die Auslegung und Modellierung von Chemiereaktoren.

Obwohl zahlreiche Lehrbücher über die Chemische Reaktionstechnik erschienen sind, ist es nach wie vor nicht einfach, sich in das fachlich übergreifende und komplexe Gebiet einzuarbeiten. Vor allem das Selbststudium bereitet Schwierigkeiten, da oft hohe mathematische Anforderungen gestellt werden, Übungsaufgaben ohne Lösungen oder Lösungsweg gegeben werden und eingesetzte Rechenprogramme nicht ohne weiteres nachvollziehbar sind. Dies waren für mich Anlass und zugleich Herausforderung, ein neues Buchprojekt in Angriff zu nehmen.

Das vorliegende Buch baut auf dem seit Jahren eingeführten und in der Lehre bewährten Buch mit dem Titel „Chemische Reaktionstechnik – Eine Einführung mit Übungen“ auf. Eine völlige Neugestaltung unter Einbeziehung der Modellie­rung und Simulation von Chemiereaktoren mit einem PC-Programm war erforderlich, um eine zeitgemäße Ausbildung der Studierenden in Vorlesungen und Übungen zu ermöglichen.

Das Softwarepaket POLYMATH bietet einen sehr guten Einstieg in die Modellie­rung und Simulation von Chemiereaktoren. Es besitzt den Vorteil, numerische Problemlösungen mit geringst möglichem Aufwand zu finden. Die eigenen Erfahrungen mit POLYMATH in Vorlesungen, Praktika, PC-Workshops und Weiterbildungsseminaren waren sehr positiv. Mit einem einmal aufgestellten Modell lässt sich der Einfluss verschiedener Reaktionsparameter auf den Gesamtprozess leicht nachvollziehbar simulieren. Zielgerichtet wird die Modellierung von Problemstellungen geübt, und es werden verständliche Lösungswege aufgezeigt, um Probleme aus der Praxis zu lösen.

Notwendige Voraussetzungen dafür sind Kenntnisse über die Grundlagen der Reaktionstechnik. Diese werden im vorliegenden Buch vermittelt. Alle erforderlichen Auslegungsgleichungen auf Basis der Stoff-, Wärme- und Impulsbilanz unter Berücksichtigung der Stöchiometrie und Kinetik der Reaktionen werden abgeleitet und erläutert. Jedes Kapitel enthält vollständig durchgerechnete Beispiele und Übungsaufgaben, für die Lösungen angegeben sind und der Lösungsweg kommentiert wird. Vorausgesetzt werden nur Grundkenntnisse in Physikalischer Chemie, insbesondere Reaktionskinetik und Mathematik (Lösung von Differentialgleichungen, Regression).

In dem Buch war eine Auswahl des Stoffes und somit eine gewisse Schwerpunktbildung erforderlich. So kann beispielsweise auf die Auslegung und Modellierung spezieller Reaktoren für Mehrphasenreaktionen nicht eingegangen werden, und auf konstruktive Details von Reaktoren und Reaktoreinbauten musste verzichtet wer­den.

Das Buch ist sowohl für Neueinsteiger, als auch für Fortgeschrittene geeignet. Es kann in Vorlesungen und Übungen für Chemieingenieure, Verfahrenstechniker und Chemiker und auch in Weiterbildungsseminaren eingesetzt werden. Es ist ebenfalls gut für das Selbststudium geeignet und soll Anleitung für Problembeschreibungen und -lösungen mit POLYMATH in der beruflichen Praxis bieten.

Mein Dank gilt allen, die durch Anregungen, Hinweise und Korrekturen sowie Überlassung von Bildmaterial bei der Gestaltung dieses Buches mitgeholfen haben. Besonders danke ich Prof. M. Cutlip (University of Connecticut) für die kontinuierliche Weiterentwicklung des POLYMATH-Programms und seine Hilfestellung bei der Lösung einzelner Probleme. Seine sofortige Zustimmung, dem Leser das POLYMATH-Programm für die Nutzung über das Internet zugänglich zu machen und eine Web-Adresse für die Kommunikation einzurichten, war für das Vorhaben von besonderer Bedeutung.

Der Fachhochschule Mannheim und dem Fachbereich Verfahrens- und Chemietechnik danke ich für die hervorragenden Rahmenbedingungen für zeitgemäße Lehrveranstaltungen, Praktika und PC-Workshops auf dem Gebiet der Chemischen Reaktionstechnik. Gleichzeitig danke ich den Studierenden des Chemieingenieurwesens für die Anregungen und Vorschläge zur Nutzung des POLYMATH-Pro­gramms.

Meiner Assistentin, Frau Dipl.-Ing. Doris Henke, danke ich für die Ausarbeitung und Erprobung von Experimenten im Institut für Chemische Verfahrenstechnik, die als Grundlage für Simulationsaufgaben dienten.

Für die Überlassung von aktuellem Bildmaterial zu Chemiereaktoren danke ich den Firmen BASF AG Ludwigshafen und dem Institut Francais du Pétrol (Editions Technip, Paris).

Dem Verlag Wiley-VCH Weinheim danke ich herzlich für die sachkundige und hervorragende Unterstützung bei der Verwirklichung des Buchprojektes in einem äußerst kurzen Zeitraum. Mein Dank gilt Frau Karin Sora und Herrn Rainer Münz für die Bearbeitung im Lektorat, Herrn Peter J. Biel für die mit der Herstellung verbundenen Arbeiten und Herrn Gunther Schulz für die graphische Gestaltung des Einbandes.

Zum Gebrauch von POLYMATH

Für eine sinnvolle Nutzung des Buches sind eigene Erfahrungen und Übungen mit dem Software-Paket Voraussetzung. Auch wenn die vollständigen Programme für die meisten Beispiele und Übungen im Buch aufgeführt sind, genügt nicht das Nachlesen, sondern die Modellierung und Simulation muss – ähnlich wie bei Rechenübungen – praktisch durchgeführt werden. Das Programm ist äußerst leicht anzuwenden. Alle Optionen sind menügeführt. Alle Gleichungen (Differentialgleichungen oder algebraische Ausdrücke) werden in beliebiger Reihenfolge in der Standard-Form eingegeben. Es werden keine Computersprache und kein zusätzliches Handbuch benötigt. Im Anhang dieses Buches ist eine Kurzbeschreibung von POLYMATH enthalten.

Dem Leser des Buches wird über das Internet der eingeschränkte Zugriff auf das POLYMATH-Softwarepaket ermöglicht. Die Herausgeber M. B. Cutlip und M. Shacham haben dankenswerterweise die folgende Web-Adresse eingerichtet, über die das POLYMATH-Programm auf dem PC geladen werden kann:

http://www.polymath-software.com/hagen/

Die uneingeschränkte Nutzung ohne Zeitlimitierung ist dann auf einem einzelnen Rechner bis zu 30 Mal möglich, danach erlischt automatisch die Zugriffsmöglichkeit. Damit ist ein gründliches Einarbeiten in POLYMATH möglich, und es können viele Probleme und auch eigene Fragestellungen gelöst werden. Das Programmpaket, welches vor allem in den USA an zahlreichen Universitäten und in der industriellen Praxis eingeführt ist, kann danach zu einem Vorzugspreis erworben werden. Kontaktadresse: http://www.polymath-software.com.

Einzelne, ausgewählte Programmbeispiele aus dem Buch können über die angegebene Adresse direkt als POLYMATH-file geladen werden.

Mannheim, April 2004

Jens Hagen

Formelzeichen und Abkürzungen

Indizes

a

Kennzeichnung des Reaktoraustrags

ad

adiabatisch

ax

axial

eff

effektiv

kat

Katalysator

rd

radial

T

Tracer (Indikator)

0 (null) Kennzeichnung des Reaktorzulaufs,

Häufig vorkommende Integrale

Simpson’sche Regel (Näherungsmethode für bestimmte Integrale):

a,b

Grenzen des Integrals

n

Anzahl der gleichen Teile des Intervalls (geradzahlig)

1

Einführung

1.1 Die Aufgaben der Chemischen Reaktionstechnik

Ziel der Chemischen Reaktionstechnik ist die sichere Übertragung einer im Labor gefundenen chemischen Umsetzung in den technischen Maßstab bzw. die Auslegung eines chemischen Reaktors für eine gegebene Reaktion. Voraussetzung dafür ist vor allem die Kenntnis der Geschwindigkeit der betreffenden Reaktion, die sog. Mikrokinetik.

Weil die meisten technisch bedeutsamen Reaktionen nicht in einer intensiv durchmischten homogenen Phase ablaufen, haben auch Stoff- und Wärmetransportvorgänge einen wesentlichen Einfluss auf solche Prozesse. Damit kommt der Makrokinetik – dem Zusammenwirken von Transportkinetik und chemischer Kinetik – in der Chemischen Reaktionstechnik eine besondere Bedeutung zu. Zahlreiche, richtungsweisende Arbeiten über derartige makrokinetische Gesichtspunkte, d. h. liber den Einfluss der Strömung, des Mischens, der Verweilzeitverteilung und des Stoff- und Wärmeübergangs auf die chemische Reaktion wurden bereits von G. DAMKÖHLER ab 1935 durchgeführt.

Die eigentliche Entwicklung der Chemischen Reaktionstechnik auf breiter Basis als neue, fachübergreifende Disziplin im Chemieingenieurwesen setzte jedoch erst ab 1957 (1. Symposium über Chemische Reaktionstechnik in Amsterdam) ein. Inzwischen haben zahlreiche derartige, internationale Fortschrittstagungen stattgefunden. Die Entwicklung der Reaktionstechnik wurde in Deutschland durch DAMKÖHLER, in England durch DENBIGH, in den USA durch HOUGEN und in den UdSSR durch KAMENETZKI entscheidend beeinflusst. Wesentliche Prinzipien dieser neuen Forschungsrichtung wurden u. a. von VAN KREVELEN, DANCKWERTS, DENBIGH, KRAMERS, SCHÖNEMANN und WICKE formuliert und in zusammenfassenden Artikeln und Lehrbüchern niedergelegt.

Bei der Chemischen Reaktionstechnik handelt es sich um ein komplexes, vielschichtiges Wissensgebiet, das sich erst langsam zu einer systematischen Wissenschaft innerhalb der Technischen Chemie entwickelt hat. Wir können die Chemische Reaktionstechnik zusammenfassend wie folgt definieren: