13 Einheiten zu je 3 Vorlesungsstunden und je einer Übung

Transkript

1 Reaktostechk ud Katalyse Umfag 3 Ehete zu je 3 Vorlesugsstude ud je eer Übug Zele Thermodyamk ud Stöchometre Stöchometre ud Ablauf eer chemsche Reakto Thermodyamsche Aspekte eer chemsche Reakto Grudbegrffe der Ketk Mkroketk vo Reaktosabläufe Stofftrasport Grudzüge der (heterogee) Katalyse Makroketk Reaktosapparate ud Prozessführug Kozeptoelles Löse vo Probleme der chemsche Reaktostechk Zele der Reaktostechk Ausgagsstoffe Raw materals Feed Feed Vorbehadlug codtog Reactor Reaktor wth mt partal Telumsatz coverso Separato Treug of Feed feed ud ad Produkte products Produkt Product Treug separato De Grudoperatoe sd durch de Prozess m Reaktor vorbestmmt. Kozepto euer Reaktosroute Stegerug der spezfsche Produktlestug Esatz vo Katalysatore Erhöhug der Selektvtät verrgert Umfag der Treschrtte Produkte

2 Lste empfohleer Lehrbücher zur Vorlesug Techsche Cheme II M.Baers, A. Behr, A. Brehm, J.Gmehlg, H. Hofma, U. Oke, A. Reke Techsche Cheme, Wley-VCH, Wehe (26) M. Baers, H. Hofma, A. Reke, Chemsche Reaktostechk, Theme, Stuttgart (987). E. Ftzer, W. Frtz, Techsche Cheme, Eführug de Chemsche Reaktostechk, Sprger, Berl (989). O. Levespel, The Chemcal reactor, Ombook, Osu Orego (993). O. Levespel, Chemcal Reacto Egeerg, Wley, ew York (972). Klassfzerug chemscher Reaktoe Zahl der betelgte Phase homogee Reaktoe heterogee Reaktoe Temperaturführug m Reaktor sotherme Reaktosführug adabatsche Reaktosführug polytrope Reaktosführug Reaktostyp efache Reakto komplexe Reakto Reaktosführug kotuerlch dskotuerlch Idealserter Reaktortyp Strömugsrohr Rührkessel 2

3 Reaktosapparat, Reaktosgefäß, Reaktor Deftoe Apparat dem de Reakto durchgeführt wrd Reaktosgemsch, Reaktosmasse Reaktate Begletstoffe Gesamthet egeschlosseer Stoffe a der Umsetzug betelgte Stoffe Lösugs-, Verdüugsmttel, Katalysatore,... Reaktosvolume V vo Reaktosmasse egeommees Volume Reaktorvolume V R Chemsche Spezes Leerraum des Reaktosapparats A Molzahl vo A kmol A Masse vo A m Reaktosgemsch m M * Gesamte Reaktosmasse m m Molzahl ud stöchometrscher Koeffzet Ädert sch de Molzahl durch de Ablauf eer Reakto so glt: M Masseblaz stöchometrsche Koeffzete für de Reakto für de Edukte egatv für de Produkte postv H 2 2 H 3 A 2 M 28 - A 2 H 2 M A 3 H 3 M

4 De Reaktoslaufzahl ξ De Molzahläderug eer Spezes A wrd durch de Reaktoslaufzahl ( extet of reacto ) beschrebe: ξ o Molzahl zur Zet t t Molzahl zur Zet t t ξ st mt dem Formelumsatz ud cht mt dem Umsatz eer Kompoete verküpft. De Molzahl eer Spezes A st da bem Ablauf der Reakto defert als: + ξ De Masse bem Ablauf eer Reakto st da aalog gegebe als: m m + Mξ Laufe mehrere Reaktoe (j,, M) ab so glt für jede Reakto M sowe für ee a alle Reaktoe betelgte Spezes M + ξ j j j bzw. m m M, + M jξ j j 4

5 Itesve Größe zur Kezechug der Zusammesetzug des Reaktosgemsches Stoffmege- Masse- Ehet -atel x w m m m m dmesoslos -kozetrato c V m ρ V Mol bzw. Masse pro Volume -verhälts κ k m W m k dmesoslos Gesamtmolzahl, m Gesamtmasse, ρ (Gesamt-)Dchte, c Gesamtkozetrato m Reaktosgemsch Da de extesve Größe mest cht drekt messbar sd, werde tesve Größe beutzt. ξ ξ ξ λ λ, λ', λ'' V m c Dadurch lasse sch alle Kozetratoe, Stoffmegeatele etc. edeutg als Fukto eer Varable agebe. c c + λ c c + λ c c, c c, ud es glt x c c + λ x + λ'' c c + λ + λ'' 5

6 Beachte: we ädert sch auch der Stoffmegeatel eer Iertkompoete! Da aber de Dchte ud Kozetrato verküpft sd glt ρ ρ Ud für de Masseatel w ρ M c + M λ (für V kostat) t) w w + M v λ' (auch für V kostat) Deftoe Reaktosdauer t R st de Zet der de Reaktate ud Begletstoffe am Reaktosort reagere. Reaktorbetrebszet t Z Zet, de für de Durchführug der Reakto beötgt wrd Betrebszet t B be kotuerlch durchströmte Festbettreaktore glech der Lebesdauer des Katalysators Reaktordurchsatz de pro Zeteehet aus/etretede t Stoffmege (kg h - )be F kmol h - ; V m3 h- Belastug des Reaktors Verhälts des Gesamtdurchsatzes zum Reaktorvolume 6

7 Deftoe Umsatzgrad X de währed der Reaktosdauer umgesetzte Mege eer bestmmte Mege (ausgedrückt Bruchtele deser Mege) M ξ j X j Ausbeute Y k de währed der Reakto aus dem Ausgagsstoff gebldete Mege ees Reaktosprodukts k (ausgedrückt Bruchtele der maxmal möglche Mege) k k Yk. k Be efache Reaktoe sd Umsatz ud Ausbeute glech, falls A de stöchometrsch begrezede Kompoete st. j Deftoe Itegrale Selektvtät Verhälts vo Ausbeute ud Umsatz Reaktorlestug L Produkt aus Durchsatz ud Umsatz, bzw. Durchsatz ud Ausbeute Reaktorkapaztät maxmal möglche Reaktorlestug 7

8 Stöchometre Lehre vo de Gesetzmäßgkete dee de Äderuge der Zusammesetzug ees Reaktosgemsches währed des Ablaufs eer chemsche Reakto uterlegt. CH 4 + H 2 O CO + 3H Δ Δ Δ Δ CO H2 CH4 H2O Δ ξ Vo welche Spezes müsse Molzahl-Äderuge mdestes bekat se, um Molzahl-Äderuge aller Kompoete beschrebe zu köe? Schlüsselkompoete We vele Glechuge beötgt ma? - Schlüsselreaktoe We sd be komplexe Systeme de gemessee Molzahl- Äderuge ud der Reaktosfortschrtt mteader verküpft? I eem geschlossee System blebe auch bem Ablaufe eer chemsche Reakto de Azahl der Atome ees jede Elemets kostat. Azahl der Elemete L - gezählt als h, 2,..., L Azahl der Spezes - gezählt als A, A 2,... β h Koeffzet vo Elemet h der Summeformel der Spezes A Azahl der Mole a A Azahl der Grammatome ees Elemetes h m Reaktosgemsch b h β h b h h,..., L Be der chemsche Reakto äder sch zwar de Molzahle um Δ -, de Atommege blebe aber uverädert. β h Δ 8

9 Schlüsselkompoete ud Schlüsselreaktoe We Summeformel aller a de Umsetzuge betelgte Spezes bekat sd glt β h Δ e homogees Glechugssystem de Ubekate Δ mt de Koeffzete β h. De Matrx B der β h hat de Dmeso L x, hr Rag st R β. Mest st R β L ud st größer als L. Glechugssystem st uterbestmmt. Lösug durch Bestmmug vo R ß (gebudee Ubekate) als Fukto vo - R β (free Ubekate). De free Ubekate sd de Molzahl-Äderuge der Schlüsselkompoete. Sd se bekat, sd auch de übrge Kompoete (gebudee Ubekate) edeutg berechebar. De Zahl der Schlüsselkompoete st da R - R β Schlüsselkompoete ud Schlüsselreaktoe Be der Sythesegaserzeugug aus Metha ud Wasser be 6 C ud -5 Pa trete 7 Spezes auf ( 7): CH 4 H 2 O H 2 CO CO 2 C C 2 H 6 De Elemet-Spezes Matrx B der β h für deses Bespel lautet De Azahl der Schlüsselkompoete R ergbt sch aus R - R β

10 Mt H 2, CO, CO 2 ud C 2 H 6 als Schlüsselkompoete erhält ma als C-Blaz Δ + Δ + ( + Δ + Δ + 2Δ ) C CH4 CO CO2 C2H6 als H-Blaz als O-Blaz Δ + 2Δ ( 2Δ Δ ) +4 CH4 H2O H2 C2H6 + + Δ ( + Δ + 2Δ + ) H O CO CO 2 2 ach Esetze erhält ma für de gebudee Ubekate Δ +/ 2 Δ 3 / 2 Δ 2 Δ / 2 Δ C H2 CO CO2 C2H6 Δ / 2Δ + / 2Δ + Δ 3/ 2Δ CH4 H2 CO CO2 C2H6 Δ Δ 2Δ H2O CO CO2 Für de Umsätze der Schlüsselkompoete H 2, CO, CO 2 ud C 2 H 6 werde gemesse (ud damt vorgegebe) Δ Δ Δ Δ H 2 CO CO2 C2H6 3.3 kmol.8 kmol.2 kmol 7 kmol Be Verachlässgug des klee Umsatzes zu Etha ergbt sch damt für de Blazglechuge Δ Δ Δ C CH4 H2O.5 kmol.5 kmol.2 kmol

11 De Schlüsselkompoete sd stets so zu wähle, dass de chtschlüsselkompoete mdestes R ß Elemete ethalte sd. We ma sch für de Reaktosglechug teressert, geht ma aus vo A für das Dampf-Reformere vo Metha führt des zu + CO + 3 H 2 CH 4 H 2 O Für jede chemsche Reakto glt auch der Satz vo der Erhaltug der Masse ees jede Elemets für ee Formelumsatz mt Δ glt β h De Lösug deses homogee Glechugssystems mt der Elemetmatrx lefert de stöchometrsche Koeffzete der zu formulerede Reaktosglechug. h,,l j R v j R v j R v Da das System uterbestmmt st, muss de allgemee Lösug des Glechugssystems ermttelt werde, de aus R R ß Soderlösuge besteht.

12 Der Reaktosfortschrtt I eem reagerede System mt der Zahl der Schlüsselreaktoe R -R β >, wrd de Molzahläderug eer Kompoete durch mehrere Telreaktoe verursacht. Es köe mehr Reaktoe M ablaufe, wobe glt MR Ist der Betrag der j-te Reakto zu Δ glech δ j so glt δ j j ξj (kmol) Reaktoslaufzahl j, j j Δ δ ξ,..., M M j j j j j Stöchometre ud Reaktosketk Ketk aus zetlche Veräderuge der reagerede Systeme physkalsch chemsch svolle Gesetzmäßgkete abzulete. Stöchometre aus stöchometrsche Überleguge abgeletete Glechuge bzw. Schlüsselreaktoe habe mest kee ketsche Bedeutug. Schlüsselreaktoe solle so defert werde, dass se de ablaufede Reaktoe etspreche R dc M jrj,..., dt dt j Äquvaletreaktosgeschwdgket r j dξ dλ j V dt dt j,..., M 2

13 Dre Fälle köe auftrete M R R β Zahl der Reaktoe glech de vo Stöchometre gefordert für de Ketk köe aber auch ugeegete g Reaktoe gewählt werde. M > R R β Zahl der Reaktoe größer als vo Stöchometre gefordert für de Ketk sd auch lear abhägge Reaktoe zu berückschtge. M < R R β Ege Reaktoe sd ketsch umöglch R lefert ur de Obergreze der möglche Reaktoe Ee allgeme awedbare expermetelle Methode zur Ermttlug der Zahl R erfordert de Messug der Umsätze aller Spezes zu t verschedee Reaktoszete - ketsche Messuge! Reaktosethalpe ΔH r ud free Bldugsethalpe ΔG r ΔH r Wärmetöug eer Reakto be kostatem Druck Ausgagsstoffe egatv Produkte postv ur abhägg vom Ausgags ud Edzustad (Wert über Learkombatoe adere Reaktoe zu bereche) Berechug mest aus de Bldugsethalpe ΔH ΔHf Be komplexe Reaktoe ergbt sch der Wärmeumsatz aus ( ΔH ) tot ξ ( ΔH ) R j R j j Abschätzug der Bldugsethalpe über de Bldugsethalpe fuktoeller Gruppe M 3

14 Das chemsche Glechgewcht Für jede Glechgewchtsstuato, also auch für das chemsche Glechgewcht glt G μ, T, p T k Daher glt für de free Reaktosethalpe G μ Für de Äderug der Gbbssche free Ethalpe be eer Reakto ΔG G G ( μ ) ( μ ) μ R Ede Afag Ede Afag Im Glechgewcht glt also für e reageredes System μ Massewrkugsgesetz Für de Gbbssche free Ethalpe glt aderersets de Bezehug dg SdT + Vdp+ μdξ für kostate Temperatur ud kostatem Druck ud reageredem Gemsch ΔG R G ξ p,t μ ud für de Druck ud Temperaturabhäggket des chemsche Potetals p μ ( pt, ) μ + RTl p Daraus folgt für ee chemsche Reakto μ + RT l p ' 4

15 ach dem Massewrkugsgesetz glt lk p lp ' ud daher folgt μ μ + RT K K l p oder p exp RT K p o ΔGR o RT e ΔGR RT l K p De Glechgewchtskostate köe mt Hlfe des Heßsche Satzes aus de free Bldugsethalpe berechet werde. log K p log K pf De Temperaturabhäggket st durch de Bezehug vo va t Hoff gegebe Maxmaler Umsatz d l K p HR Δ 2 dt RT * x xk Xk k log K p log p ( )log * xk Xk k 5