Grundoperationen und chemische Reaktionstechnik

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1 Manuel Jakubith 2008 AGI-Information Management Consultants May be used for personal purporses only or by libraries associated to dandelon.com network. Grundoperationen und chemische Reaktionstechnik Einführung in die Technische Chemie WILEY-VCH Weinheim New York Chichester Brisbane Singapore Toronto

2 Inhalt Bilanzgleichungen und Zustandsgieichungen Aufgabengebiet der Technischen Chemie Bilanzgleichungssysteme Beispiel: Mischen von Gasströmen (Anwendung der Masse-, Impuls- und Energiebilanz sowie der Zustandsgieichung) Zustandsgieichungen für Gase Beispiel: Berechnung realer Gase (Fugazitäts- und Virialkoeffizient) Dampfdruckbeziehungen 23 1 Makroströme und Mikroströme 25 2 Strömende Medien Ströme und Stromdichten Kontinuitätsgleichung Divergenz und Gradient Beispiel: Durchsatz an Rohrverzweigungen Viskosität Beispiel: Messen der Scherspannung Rheologische Stoffmodelle Laminare Strömung Beispiel: Laminare Strömung Beispiel: Nicht-Newton-Flüssigkeiten Reynolds-Zahl und hydrodynamische Grenzschicht 46

3 XII Inhalt 3 Navier-Stokes-, Euler- und Bernoulli-Gleichung Ortsfeste und bewegte Koordinatensysteme Aufstellung der Impulsbilanz Navier-Stokes-Gleichungen Beispiel: Walzen und Mischen von Polymeren Euler-Gleichung mit Anwendung Beispiel: Druckanstieg beim Ventilschließen Hierarchie der Strömungsgleichungen Bernoulli-Gleichung mit Anwendung Beispiel: Durchflußmessung 73 4 Hydrodynamische Ähnlichkeit Bedeutung der Kennzahlen Modelltheorie Beispiel: Modelltheorie - hydrodynamische Ähnlichkeit Dimensionsanalyse Beispiel: Kennzahlenansatz für die Rührerleistung Welche Kennzahl wählen? 89 5 Strömungswiderstände, Partikelhaufwerke und Pumpen Widerstand von Körpern in Strömungen Beispiel: Widerstandskraft einer Kolonne Beispiel: Kennzahlenansatz für die Widerstandskraft Sedimentation Widerstandsgesetze durchströmter Rohre Beispiel: Druckverlust eines Rohrleitungssystems Druckverlust eines Festbettreaktors Druckverlust einer Wirbelschicht Beispiel: Druckverlust einer Wirbelschicht Filtergleichung von D'Arcy Förderung durch Pumpen und Kompressoren Beispiel: Berechnung einer Pumpenleistung Beispiel: Leistungsbedarf eines Kompressors 116

4 Inhalt XIII 6 Transportgleichungen Allgemeiner Transportansatz für Gase Instationäre Diffusion Berechnung des Diffusionskoeffizienten Beispiel: Berechnung des Diffusionskoeffizienten Berechnung des Viskositätskoeffizienten Beispiel: Berechnung des Viskositätskoeffizienten Berechnung des Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten Schätzwerte der Transportkoeffizienten 136 II Stoffbilanz, Wärmebilanz und Reaktionskinetik Konzentrationsfeld c (x,y,z,t), einfache Reaktormodelle Aufstellung der Stoffbilanz Anwendungen der Stoffbilanz (isothermer Fall) Ideale kontinuierliche Reaktoren Beispiel: Ideales Strömungsrohr Beispiel: Idealer kontinuierlicher Rührkesselreaktor Temperaturfeld T (x, y, z, t), Wärmebilanz, Reaktionsgleichgewichte Aufstellung der Wärmebilanz Temperaturfeld idealer Reaktoren Wärmebilanz idealer Reaktoren Anwendung der Wärmebilanz Beispiel: Temperaturerhöhung in einem adiabatischen Strömungsrohr Reaktionsgleichgewichte Beispiel: Gleichgewichtsdiagramm Ulich-Näherungen Beispiel: Reaktionsgleichgewichtskonstante Umsatz und Formalkinetik Stöchiometrie und Umsatz Beispiel: Stoffmengenanteil und Umsatz Beispiel: Bilanzdiagramm einer reversiblen Reaktion Beispiel: Bilanzdiagramm einer irreversiblen Reaktion 184

5 XIV Inhalt 9.2 Reaktionsgeschwindigkeit Formalkinetik homogener Reaktionen Zusammengesetzte Reaktionen Beispiel: Integration von Zeitgesetzen Beispiel: Parallelreaktion Schlüsselkomponenten und Schlüsselreaktionen Adsorption und heterogene Katalyse Poröse Feststoffe Adsorptionsisothermen und Porenparameter Beispiel: Porenvolumen, Porenradien und Porenradienverteilung Physisorption und Chemisorption Katalytische Aktivität Kinetik heterogener gasförmig/fest-reaktionen Beispiel: Langmuir-Hinshelwood-Mechanismus Makrokinetik: Diffusion und Reaktion Beispiel: Porendiffusion in kugelförmigen Katalysatorpellets Festbettreaktor und Festbettadsorber Beispiel: Berechnung eines Absorbers 246 III Reaktionstechnik Laplace-Transformationen und Regelungstechnik Funktionaltransformationen und Signale Erzeugung der Laplace-Transformierten Beispiel: Ermittlung einer Lösung durch Faltung Lösung von Differentialgleichungen Beispiel: Reaktion 1. Ordnung im batch-reaktor Beispiel: Berechnung einer Folgereaktion Beispiel: Lösung partieller Differentialgleichungen- Reaktion 1. Ordnung im instationären Strömungsrohr Beispiel: Instationäre Diffusion Funktionentabelle: Laplace-Transformationen Zusammengeschaltete Systeme Elemente der Regelungstechnik 270

6 Inhalt XV 12 Dispersionsmodell, Schadstoffdispersion und Zellenmodell Ideale und reale Strömung Dispersionsmodell Dispersion in Rohren und Festbettreaktoren Dispersion von Schadstoffen in der Luft Beispiel: Ermittlung der Dispersionskoeffizienten Zellenmodell und diskrete Systeme Beispiel: Differenzengleichung für eine Reaktion 1. Ordnung Beispiel: Differenzengleichung für eine Folgereaktion Beispiel: Differenzengleichung für ein stationäres Strömungsrohr mit Reaktion 2. Ordnung Beispiel: Differenzengleichung für das Dispersionsmodell Wahl des geeigneten Modells Verweilzeitverhalten chemischer Reaktoren Wichtigkeit der Verweilzeit Relative Häufigkeit und Summenhäufigkeit Markierungsmethodik Beispiel: Markierung im kontinuierlichen Rührkessel Beispiel: Markierung im kontinuierlichen Strömungsrohr Verweilzeitverhalten idealer Reaktoren Verweilzeitverhalten realer Reaktoren Reaktorersatzschaltungen Beispiel: Ersatzschaltung eines laminaren Rohrs Isotherme und nichtisotherme Reaktionsführung Betriebsarten chemischer Reaktoren Umsatzberechnung isothermer Reaktoren Beispiel: Damköhler-Beziehung für das ideale Strömungsrohr Beispiel: Damköhler-Beziehung für den idealen Rührkesselreaktor Verweilzeit und Umsatz Beispiel: Umsatz-Damköhler-Beziehungen für die Verseifung eines Esters im CSTR sowie im idealen und laminaren Strömungsrohr Nicht-isotherme Reaktoren Fallstudie: Reaktorauswahl bei nicht-isothermer Reaktionsführung 338

7 XVI Inhalt 15 Dynamisches Verhalten einfacher Systeme Gekoppelte Differentialgleichungen Lineare Differentialgleichungsysteme Stabilitätskriterien Beispiel: Anwendung des Routh-Kriteriums Beispiel: Anwendung des Routh- und Hurwitz-Kriteriums Nichtlineare Differentialgleichungssysteme Fallstudie: Beurteilung der Stabilität einer autokatalytischen Reaktion Fallstudie: Beurteilung der Stabilität eines nicht-isothermen Rührkesselreaktors Strategie zur Beurteilung der Stabilität 376 IV Grundoperationen Wärmetransport und Wärmetauscher Beschreibung des Wärmetransports Beispiel: Wirkung eines Strahlungschilds Beispiel: Wärmeverlust einer Kolonne Beispiel: Wärmewiderstand von Ablagerungen Wärmetauscher Beispiel: Berechnung der treibenden Temperaturdifferenz Kennzahlen des Wärmeübergangs Beispiel: Berechnung der Wärmeübergangszahl Kriteriengleichungen des Wärmeübergangs Stofftransport und Trocknung Beschreibung des Stofftransports Kennzahlen des Stoffübergangs Kriteriengleichungen des Stoffübergangs Beispiel: Stofftransport im Rieselfilm Trocknung von Feststoffen Grundlagen des Warmlufttrockners Beispiel: Berechnung des idealen Trockners Beispiel: Wärmeübergang und Trocknung in einem Walzentrockner 423

8 Inhalt XVII 18 Destillation und Rektifikation Molekulare Wechselwirkungen in der Mischung Beispiel: Überprüfung der Konsistenz von Dampfdruckrnessungen Partielle molare Größen und Exzeßgrößen Beispiel: Ermittlung des partiellen molaren Volumens und des Exzeßvolumens Berechnung der Aktivitätskoeffizienten Beispiel: Berechnung des Systems Methanol - Propanon Binäre Mischungen Ternäre Mischungen Rektifikation Berechnung nach McCabe-Thiele Berechnung nach Ponchon-Savarit Berechnung mit der NTU-Gleichung und dem Zellenmodell Extraktion Thermodynamik der Extraktion Kinetische Effekte der Extraktion Einstufige Extraktion Beispiel: Berechnung einer einstufigen Extraktion Kreuzstromextraktion Beispiel: Berechnung einer Kreuzstromextration Gegenstromextraktion Beispiel: Berechnung einer Extraktion nach dem Polstrahlverfahren Berechnung aus der NTU-Gleichung Berechnung nach dem Zellenmodell Anhang Formelzeichen Wichtige Kennzahlen der Verfahrenstechnik Berechnung physikalischer und technischer Größen Sl-System Angelsächsische Einheiten Literaturverzeichnis 531 Register 537