Praktikum der Technischen Chemie im Diplomstudiengang

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1 Praktkum der Techche Cheme m Dplomtudegag Da Praktkum Techche Cheme behaltet e Egagkolloquum (cl. Scherhetbelehrug - Zetdauer ca. 1 Stude), 8 eruche (cl. Kolloquum zum ewelge eruch), e Abchlukolloquum (Zetdauer ca. 90 Mute) owe e Semarvortrag (ca. 15mütg). De Kolloque d Gruppe zu zwe ( Auahmefälle zu dre) Studete/e durchzuführe. De eruche erfae de Themegebete: - Rektfkato, - Wärmeübertragug, - Thermche erhalte vo Reaktore, - Ketk homogeer Reaktoe (Formalketk), - erwelzetverhalte (Strömugzutäde Reaktore), - Adorpto, - Heterogee Katalye, - Stofftraport ud Makroketk. De Rektfkato t de wchtgte thermche Grudoperato ud det der Treug vo Flügketgemche durch wederholte erdampfe ud Kodeere. Be thermche Grudoperatoe t für de Aulegug der Treapparate (zum Bepel Trekoloe) de Ket der Phaeglechgewchte (her da Glechgewcht zwche der Flüg- ud der Dampfphae - LE) al Fukto der Prozeparameter vo grudlegeder Bedeutug. De geaue Ket der Mechame der Wärmeübertragug t orauetzug für de chere Ablauf vo chemche Prozee ud de rchtge Dmeoerug vo Reaktore, Wärmetaucher ud Rohrletuge. Zur dmeoloe Bechrebug de Wärmeflue durch Apparatewäde werde der Regel Krtereglechuge heragezoge, da heßt, da der Wärmedurchgag mt Hlfe dmeoloer Kezahle bechrebe wrd. It de chemche Reakto mt eem Wärmeumatz verbude ( R H 0 J/mol), mu bem Etwurf de Reaktor ebe der Megeblaz auch de Wärmeblaz ertellt werde. Im Thermche erhalte vo Reaktore werde für de dealerte Reaktortype (CSTR ud PFR) de ewel auftretede Charaktertker vorgetellt. De Formalketk erfat de Reaktoparameter eer ( erglech zu de theoretch fuderte Iterpretatoe der Phykalche Cheme) mathematch verefachte Form. So t bepelwee de Aktverugeerge der Parameter, der de Temperaturabhäggket der Reaktogechwdgket wedergbt ud ka cht mehr al "Höhe ee Aktverugberge" gedeutet werde. Auch de Reaktoorduge d cht mehr au dem Reaktochema abletbar. Ibeodere be kotuerlcher Prozeführug t cht ur de erwelzet der Reaktomae m Reaktor oder auch de durch Rückvermchug bedgte Streuug der Fludelemete um de mttlere erwelzet etcheded für de Umatz owe, be komplexe Reaktoe, für de Selektvtät. Im Praktkumveruch erwelzetverhalte werde owohl de dealerte Reaktortype al auch zwe Modelle zu Reaktorbechrebug be begrezter Rückvermchug vorgetellt. Zu alle eruche d Skrpte m Iteret zu fde. Dee Skrpte d für de tere Gebrauch betmmt ud kotefre heruter zulade. 1

2 Bem Egagkolloquum zum Praktkum der Techche Cheme werde folgede Themebereche beproche: A) Berechug vo Phaeglechgewchte realer Syteme Berechug vo Phaeglechgewchte realer Syteme Da Glechgewcht t errecht, we ebe Druck ud Temperatur de Fugaztäte eder Kompoete alle Phae glech d, o da glt: L f f (A1) mt Dampf ud Flügket L Fugaztäte d allerdg kee mebare Größe. Dehalb müe zum Erfae de reale erhalte (Abwechuge vom deale erhalte) Fugaztät- (ϕ) bzw. Aktvtätkoeffzete (γ) egeführt werde. Dampf/Flügket-Glechgewchte (LE vapor/lqud-equlbrum) lae ch uter Zuhlfeahme vo Zutadglechuge für bede Phae (Methode A) oder uter Awedug vo Fugaztätkoeffzete für de Dampfphae owe Aktvtätkoeffzete ud Sättgugdampfdrücke für de flüge Phae (Methode B) bechrebe. Be der Methode A werde zur Dartellug de reale erhalte owohl für de dampfförmge al auch für de flüge Phae Fugaztätkoeffzete ϕ ud ϕ L beötgt. Dee d defert al: ϕ f y P L L ϕ f (A2, A3) x P Somt lät ch da Phaeglechgewcht formulere al: y ϕ x ϕ (A4) L De Awedug der Methode A bedgt, da de Fugaztätkoeffzete für bede Phae errechebar d. Dee gelgt mt Hlfe vo Zutadglechuge. Im Allgemee werde für de Berechug vo Dampf-Flügket-Glechgewchte Weteretwckluge der va der Waal-Glechug heragezoge. Erwäht ee her de Redlch-Kwog-Glechug, de Soave-Redlch-Kwog-Glechug (SRK) ud de Peg-Robo-Glechug. Augagpukt für de Berechug der Fugaztät t de Fudametalglechug der Thermodyamk, wobe der Realatel der molare Gbbche Ethalpe der Kompoete mt Hlfe de Fugaztätkoeffzete erfat wrd: deal P RT ( g g ) R T lϕ d l z (A5) T,, z t dabe der Komprebltätfaktor. Be der Methode B wrd de Fugaztät der Kompoete der Dampfphae mt Hlfe de f y ϕ P ud der flüge Phae uter Awedug de Fugaztätkoeffzete ( ) Aktvtätkoeffzete γ augedrückt. Wrd der Fugaztätkoeffzet ledglch zur Bechrebug de reale erhalte der Dampfphae beutzt, o wrd de ralglechug heragezoge. Im Gegeatz zum Fugaztätkoeffzete wrd be erwedug de 2

3 Aktvtätkoeffzete de Fugaztät auf ee Stadardfugaztät bezoge. De Stadardfugaztät f 0 tellt ee Bezugwert für de Fugaztät dar ud t fre wählbar. Se ollte allerdg o gewählt werde, da de Werte für de Fugaztätkoeffzete möglcht weg vom Wert 1 abweche. Be der detllatve Treug ee Flügketgemche ollte al Stadardfugaztät de Fugaztät der ree Flügket be Sytemtemperatur ud Sytemdruck gewählt werde. f f 0 a γ x (A6) a t de Aktvtät ud γ der Aktvtätkoeffzet der Kompoete. Uter Berückchtgug dee, da da chemche Potetal µ glech der partelle molare Gbbche Ethalpe g t, errechet ch: _ g R T l x + R T l γ (A7) _ deal _ E g + g deale erhalte Exzeatel Der Exzeatel erfat de Abwechug der partelle molare Gbbche Ethalpe der Kompoete vom deale erhalte. De Gbbche Exzeethalpe der geamte Mchug errechet ch durch Summerug der Ezelbeträge: g E E ( x g ) R T ( x γ ) l (A8) De Berechug der g E -Werte gelgt mt Hlfe vo g E -Modelle, vo dee de va Laarud de Margule-Glechuge für bäre ud de Wle-, NRTL- ud UNIQUAC- Glechuge für Multkompoete-Syteme awedbar d. Alle Modelle beötge bäre Iformatoe, da heßt, Phaeglechgewchtdate vo Zwekompoete-Syteme. De Möglchket, mt derartge Iformatoe Multkompoete-Syteme zu bechrebe, t vo großer Bedeutug, da ahezu kee Medate über da reale erhalte vo Multkompoete-Syteme veröffetlcht wurde. Ee Aufltug der bher publzerte Medate owe de für de Awedug der ezele g E -Modelle otwedge Date d der DECHEMA-Chemtry Data Sere owe der Dortmuder Datebak zu fde. Wurde kee Date expermetell betmmt, köe de fehlede Iformatoe mt Hlfe vo Gruppebetragmethode etwckelt werde (z. B.: UNIFAC apor-lqud Equlbra Ug UNIFAC Fredelud, Gmehlg, Ramue. Elever 1977). De Iofugaztätbezehug (Gl. 1) ergbt ach Methode B: x γ f 0 y ϕ P (A9) Al Stadardfugaztät wrd de Fugaztät der ree Flügket bem Sytemdruck verwedet. Dee berechet ch au dem Fugaztätkoeffzete der Kompoete bem Sättgugdampfdruck ( ϕ ), dem Sättgugdampfdruck ( ) ( Poy ) P ud dem Poytg-Faktor x γ ϕ P Poy y ϕ P (A10) 3

4 Der Poytg-Faktor erfat de Eflu der Kompreo bzw. der Expao der Flügket bem Übergag vom Sättgugdampfdruck auf de al Stadardfugaztät gewählte Sytemdruck. Im Allgemee d Poy 1ud ϕ ϕ (Auahme: tark aozerede erbduge we Carboäure) ud köe verachlägt werde, o da glt: x γ P y P (A11) De Methode B hat gegeüber der Methode A de ortel, da mt Hlfe efacher Modelle (Modelle, de ur wege Parameter ethalte) ee zuverläge Bechrebug de Phaeglechgewcht möglch t. Se t auch auf Elektrolyte ud Polymeryteme awedbar, veragt allerdg der Nähe de krtche Pukte. Zur Aulegug ee Treprozee t de Ket de K-Faktor eder Kompoete al f T, P, erforderlch. ( ) K x γ P y / x (A12) P Da erhält der K-Faktore verchedeer Kompoete ( ud ) wrd al Trefaktor α bezechet. Deer t e Maß für de zu erzelede Treug zwche de ( ) Kompoete ud : γ P α K / K (A13) γ P B) Deftoe zur Reaktoketk ud Struktur ketcher Geetze Uter der Reaktogechwdgket verteht ma de zetlche Äderug der Molzahl der betrachtete Kompoete A # bezoge auf ee de Reaktoort charaktererede Parameter ξ (X): r A 1 ξ d dt A I homogee (ephage) Syteme t der Reaktoort da olume der Phae, o da glt: r (10) da dca 1 (11) dt dt A I heterogee Syteme t e üblch, de zetlche Äderug der Stoffmege auf Größe we Phaegrezfläche, Katalyatormae, Katalyatorvolume, Katalyatoroberfläche, Wadfläche etc. zu bezehe. Beachte: Heterogee Syteme d der Prax häufg azutreffe. E t dehalb beoder darauf zu achte, we r A defert t ud wa ξ dartellt. Oft uterchede ch Lteraturwerte für r A ur dehalb, wel uterchedlche Größe für ξ gewählt wurde. # I. allg. t r A auf de Schlüelkompoete A (der uter Berückchtgug der Stöchometre m Uterchu vorlegede Augagtoff) bezoge ud daher tet egatv. 4

5 De Reaktogechwdgket t vo zahlreche Parameter abhägg. Stark verefached - aber für techche Zwecke oft aureched - lät ch r A durch folgede Aatz dartelle: r A F( ) Y(T, Katalyator, e, h,...) Dabe tellt Φ( ) bzw. Φ(c ), Φ(p ) ee vo de Stoffmege (Kozetratoe, Aktvtäte, Partaldrücke) abhägge Fukto dar ud wrd äußerer Mechamu geat. De Fukto Ψ (T, Kat.,...) wrd al erer Mechamu bezechet. E t üblch, da dee Fukto zur Reaktogechwdgketkotate k r zuammegefat wrd. Ma beachte aber tet, da k r k(t, Umgebug) t. Wetere wchtge Begrffe der Reaktoketk d der Umatz, de Aubeute ud de Selektvtät. Der Umatz (etpreched der Ketk ## ) t de betmmter Zet umgeetzte Stoffmege a Edukt bezoge auf de egeetzte Mege deer Kompoete: X 0 (12) 0 I der Regel wrd für de Formulerug de Umatze de Schlüelkompoete (töchometrche Uterchukompoete 0 / Mmum) verwedet. Be abwechedem orgehe wrd durch erwedug ee Idexe agegebe, auf welche Kompoete ch der Umatz bezeht. De Begrffe Aubeute ud Selektvtät werde uter Ebezehug der Stöchometre defert. De Aubeute t de gebldete Stoffmege a Produkt bezoge auf de egeetzte Mege (Edukt) a Schlüelkompoete k: Y ν k k 0 (13) k0 ν De Selektvtät t de gebldete Stoffmege a Produkt bezoge auf de umgeetzte Stoffmege a Schlüelkompoete k: S Y ν k k k 0 (14) X k0 k ν Wetere, mehr der dutrelle Prax verwedete Begrffe d: De Raum-Zet-Aubeute (bzw. Reaktorkapaztät) Maetrom a Schlüelkompoete dvdert durch da Reaktorvolume: RZA. m k (15) R oft wrd für da Reaktorvolume de egeetzte Katalyatormae verwedet, o da auch herbe auf de verwedete Ehet zu achte t! De Reaktorbelatug (auch al Raumgechwdgket oder Space elocty bezechet) de Reaktor egeleteter olumetrom bezoge auf da Reaktorvolume:. S 0 (16) R ## Be reverble Reaktoe wrd de Lage de Reaktoglechgewcht durch de Thermodyamk betmmt (ehe ute) 5

6 C) Grudlage zur Berechug de Reaktoglechgewcht 6

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