Vorlesungsunterlagen. Textbook Series TU Graz. Stoff- und Energiebilanzen. 2., überarbeitete Auflage. Hans Schnitzer

Transkript

1 Textbook Series TU Graz Hans Schnitzer Stoff- und Energiebilanzen 2., überarbeitete Auflage Vorlesungsunterlagen für die gleichnamige Lehrveranstaltung an der TU Graz

2 INHALT 1. Einleitung Entwicklung der Prozesstechnologie Die Aufgaben des Verfahrenstechnikers Der Entwurf neuer Produktionsanlagen Betrieb und Optimierung bestehender Anlagen 7 2. Grundlagen der Anlagenplanung Fliessbilder DasGrundfließbild Das Verfahrensfließbild Das Rl-Fließbild Symbole und Kennbuchstaben für die Prozessleittechnik Grundoperationen und Verfahren Betriebsweisen Die Darstellung von Bilanzen Die Sl-Einheiten Übungsbeispiel Fließbild einer Extraktion von Aromastoffen Umrechnung amerikanischer Einheiten Grundlagen der Anlagenbilanzierung Erhaltungssätze Das Massenerhaltungsgesetz Das Energieerhaltungsgesetz Das Impulserhaltungsgesetz Entropie- und Exergiebilanzen Konzentrationsmaße Stöchiometrie und Mole Molekül und Reaktion Atom- und Molekülmassen Rechnen mit Dimensionen Übungsbeispiele Erhaltungssatz" für Wein Potentielle Energie Anschlussleistung einer Zapfsäule Umrechnung von Gaskonzentrationen einer Biogasanlage Umrechnung von Konzentrationen in Synthesegas Gasgemisch aus Holzvergasung 62 i

3 4. Stoffbilanzen in stationären Systemen ohne chemische Umwandlungen Stoffbilanzen auf Basis Mengenangaben und Zusammensetzungen Stoffbilanzen auf Basis zusätzlicher Informationen Freiheitsgrade bei Massenbilanzen Systeme aus mehreren Grundeinheiten Recycle und Bypass Durchziehen einer Menge Durchziehen eines Splitters Zusammenfassung Übungsbeispiele Destillation mit Abscheider System aus vier Destillationskolonnen Gasreinigung Wassereffizienz Galvanikspülen Aus Biogas wird Biomethan Biogasmischung Instationäre Stoffbilanzen ohne chemische Umwandlungen Pseudostationäre Behandlung Berücksichtigung der Zeitabhängigkeit Zusammenfassung Stationäre Stoffbilanzen mit chemischer Umwandlung Molekülbilanzen bei chemischer Reaktion Zusammengesetzte Systeme mit einzelnen Reaktionen Systeme mit mehreren Reaktionen Die lineare Abhängigkeit von Reaktionsgleichungen Folgereaktionen Bilanzierung über die Atommengen Freiheitsgrade bei Atombilanzen Zusammengesetzte Systeme Herleitung stöchiometrischer Faktoren Gleichgewichtsreaktionen Bilanzierung idealer Reaktoren mit Hilfe der Reaktionsgeschwindigkeit Reaktionen im idealen diskontinuierlichen Rührkessel Reaktionen im idealen kontinuierlichen Rührkessel Reaktionen im idealen Strömungsrohr Kaskade idealer Reaktoren Zusammenfassung Übungsbeispiele ohne Reaktionskinetik Herstellung von Essigsäureanhydrid 176 ii

4 Herstellung von Essigsäureanhydrid-Variante Magnetitreduktion Oxidation von Ammoniak Massenbilanz mit Kreislaufführung Verbrennung gemischter Gasströme Entschwefelung von Heizöl Verbrennung eines Gases: U/Zr-Trennung Herstellung von N-Ethylanilin Stark schwefelhaltige Kohle wird in synthetisches Gas umgewandelt Satz von Reaktionen bei der Vergasung Biogasanreicherung von Verbrennung Übungsbeispiele mit Reaktionskinetik Elementare Gasphasenreaktion Hydrolyse von Essigsäure Herbizidherstellung Reaktion lter Ordnung Veresterung Grundlagen der Energiebilanzierung Energiebilanzen bei Systemen ohne chemische Reaktion Geschlossene Systeme Offene Systeme Analyse der Freiheitsgrade Zusammenfassung Übungsbeispiele Benzolquenchung Wärmeübertragungssystem Wärmebilanzen im stationären System mit chemischen Reaktionen Berechnungen mit Reaktionsenthalpien Berechnungen mit Bildungsenthalpien Verbrennungsreaktionen Zusammenfassung Übungsbeispiele Verbrennung einer Ölemulsion Direkt beheizter Trockner Zumischung von Biogas Verbrennungsrechnung Verbrennung von Synthesegas Gichtgasverbrenung Verbrennung 227 iii

5 m Quenchprozess Abgasverbrennung in Viskosefabrik Herstellung von Formaldehyd Reaktionsenthalpie der Toluoloxidation Herstellung von NO Direkt befeuerter Trockner Holztrocknung Spalten von Essigsäure Reaktorkühlung Wasserverunreinigung in Brennstoff Verbrennung von Schadstoffen Nasses Holz Prozessdampf Schwefelverbrennung Schwachgasherstellung Propanverbrennung Climate Change Mehrstufige und differentielle Stoffbilanzen Analytische Darstellung mehrstufiger Bilanzprobleme Differentielle Stoffbilanzen Rechnergestützte Bilanzierung Literaturverzeichnis Anhang Sl-Einheiten und ihre Beziehung zu den Basiseinheiten Vorsilben zur Bildung von Vielfachen und Teilen im Sl-System Umrechnungstabellen der alten europäischen Maßeinheiten auf die Sl-Einheiten und umgekehrt Einige wichtige physikalische Konstanten in Sl-Einheiten Atomare Massen Bildungsenthalpien ausgewählter Stoffe Wärmeinhalt ausgewählter Stoffe Umrechnung von außereuropäischen Einheiten Stoffdaten ausgewählter Substanzen zur Berechnung der Übungsbeispiele 269 iv