Für das Fach Technische Chemie gibt es folgende Lehrmodule: (Chemie-Studiengänge):

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1 Für das Fah gibt es folgende Lehrmodule: (Chemie-Studiengänge): Modul CBV-4 Vorlesung (Grundlagen der Tehnishen Chemie) 2 stündig freitags Sommersemester WH Übung 1 Std. dienstags Sommersemester WH (Vorlesung: (Übung: Diplom: Bahelor: Sheper, Bellgardt, Kasper) Hitzmann) Klausur nötig für Praktikumszulassung und TC-Shein Klausur nötig für Praktikumszulassung und für Modul CBV-4 gesamt

2 Modul CBVP-9 Vorlesung (Grundoperationen) Wintersemester (5. Semester) 1 Std. donnerstags Übung 1 Std. donnerstags 11: 12: (Vorlesung: Bahnemann, Sheper) Diplom: Bahelor Chemie: Bahelor LS: keine Klausur (aber als Zulassung zum Praktikum) keine Klausur (aber als Zulassung zum Praktikum) Klausur Vorlesung (Bioprozesstehnik für Chemiker) Sommersemester (6. Sem.) 2 stündig freitags (bis Mitte Juni ab SS 21) 1 stündig donnerstags Übung (Vorlesung: Sheper, Hitzmann) Praktikum (Zulassungsvoraussetzung bestandene Klausur aus CBV-4, für Bahelor und Diplom untershiedlih) bshluss Modul CBVP-9 (TC II und TC III): Kolloquium

3 Diplom Chemie ab 6. Semester Tehnishe Reaktionsführung niht-isothermer Reaktoren Vorlesung: 2 stündig dienstags Uhr Übung:1 Std. dienstags Uhr (Vorlesung: Bellgardt, Hitzmann) Diplom: Master: Teilnahme nötig, keine Klausurpfliht Klausur Pfliht

4 Wie erreihe ih die Dozenten? llgemeine Dinge: Sekretariat (1.Stok) Frau li Sonst per Skripte: Unter: weiter zu Studium, Skripte Praktikum: Frau Weiß, erster Stok, ltbau, Callinstr. 5

5 Prof. Bahnemann Prof. Hitzmann Dr. Beutel Dr. Stahl PD. Kasper Prof. Sheper Prof. Bellgardt

6 Inhalte der Vorlesung CBV-4 I - Einführung, Grundlagen - Thermodynamik, Kinetik - Reaktorgrundtypen - Materialbilanzen, Bilanzgleihung für vershiedene Reaktortypen Summe 3 Dopppelstunden (Sheper) - Heterogene Katalyse - Stofftransportvorgänge bei heterogenen Reaktionen (Poren-, Filmdiffusion) Summe 2 Doppelstunden (Kasper) - niht-katalytishe heterogene Gas-Feststoffreaktoren - VWZ, Testsignale - Zellen/Dispersionsmodell - Spezial reaktoren (Festbett, Wirbelshiht) - Niht isotherme Reaktoren Summe 7-8 Doppelstunden (Bellgardt) Letzter Vorlesungstag: Klausur (Hitzmann),

7 Eine Kernfunktion der Tehnishen Chemie ist, Grundlagenkenntnisse in praktishe nwendungen zu übertragen. Deutshe Gesellshaft für Chemishe pparatewesen, Chemishe Tehnik und Biotehnologie. Dehema, Lehrprofil

8 Lehrinhalte: - Chemishe Reaktionstehnik (inl Bioprozeßtehnik) z.b. Reaktionsanalyse Reaktionsmodellierung, uslegung von Reaktoren - Grundoperationen (inl. Bioprozeßtehnik) z.b. Stoff- und Wärmetransport, ufarbeitung/trenntehnik, Prozessanalytik - Prozesskunde (verteilt auf die Vorlesungen) z.b. Verfahrensbeshreibung, Verfahrensentwiklung

9 Märkte Energie gesetzlihe Regelungen Rohstoff Märkte

10 Kosten [ /Zeit] break even point Erlös Gewinn Gesamtkosten ΔI variable Kosten Fixkosten 45 Produktion [%] Solange ΔI kleiner als die Fixkosten ist, sollte weiter produziert werden.

11 Einteilung der Tehnik Energietehnik (Energieumwandlung) Verfahrenstehnik (Stoffumwandlung) Regelungstehnik (Informationsumwandlung) Verfahrenstehnik: physikalishe Verfahrenstehnik theoretishe VT mehanishe VT hemishe Verfahrenstehnik Tehnishe Reaktionsführung

12 Tehnishe Reaktionsführung 4 ufgabenbereihe - Raumabgrenzung für Stoffumwandlung und ausreihende Verweildauer darum hem. Reaktor - Transportieren und Mishen der Reaktionsmasse - Kontrolle des Wärmehaushaltes der Reaktion und der Temperaturerhaltung im Reaktionsraum - Umgehung von Reaktionshemmungen (Katalysatoren) gezielte Umsatzbeeinflussung (Druk, Liht, Zufuhr freier Energie)

13 Grundbegriffe

14 Konzentration: m Masse i i Mi VR n V i R Molekülmasse Stoffmenge Molenanteil: x i j ni n j Massenanteil: w i j ni m j

15 Hydrodynamishe Verweilzeit τ hydrodynamish V Reaktor V& mit VolumenstromV& Umsatz: U 1 f; U 1

16 Für eine Reaktion der rt P gilt: p usbeute: Y p Für eine Reaktion der rt P P Selektivität: S P+x gilt:

17 Für eine stöhiometrishe Reaktion wie folgt: ν ν P P Y P P ν ν P S P P ν ν P allgemein: ν i > ν i < ν i Produkte Edukte Inertkomponente Beahte: N 2 + 3H 2 2NH 3 ν N 1 2 ν H 3 ν 2 NH 2 3

18 Chemishe Thermodynamik Die Thermodynamik liefert in der Tehnishen Chemie Informationen über a) den maximalen Gleihgewihtsumsatz stoffliher Umwandlung b) sie zeigt an, in welhe Rihtung Reaktionen freiwillig ablaufen ) sie gibt Informationen über Mindestarbeitsbeträge, die nötig sind, um Reaktionen in umgekehrter Rihtung ablaufen zu lassen

19 a) Reaktionsenthalpie Δ H R b) Gibbshe freie Standard Bildungsenthalpie Δ G R

20 direkter Zustand 1 Zustand 2 Weg Zustand X Zustand Y Zustand Z Zwishenshritte

21 N ΔH R ν ΔH i 1 i fi ΔG RTln K R P

22 d ln K dt P ΔH RT R 2 lnk P exotherm endotherm 1 T

23 Kinetik

24 R 1 + R 2 2R 3 r k Für Bildungsreaktionen + B B ν B r Für Zerfallsreaktionen B + B ν B r Für ustaushreaktionen B + C C + B ν C r k k B Für Umlagerungen BC CB ν BC k r ν k( T ) α1 1 α 2 2 α 3 3 ( ) Mit k k exp E RT

25 Beispiel: k P C t Integralmethode: r d dt k n

26 Messwerte auftragen als: ( n 1) 1 gegen t oder ln f () t ( ) n 1 1 n,5 n3 n2 t n variieren, bis Gerade! Steigung ergibt k

27 Differentialmethode: r d dt k n Logarithmieren: d ln n ln ln k dt + d ln dt Steigung ergibt n } lnk ln

28 Was wenn mehrere Komponenten? für r ν k + ν B n n B B B ν P P r k n + n B ν ν B n B

29 Es gibt noh komplexere Reaktionen: z.b Parallelreaktionen Folgereaktionen

30 Parallelreaktionen: D,L - Substrat Katalyse I Katalyse II L - Produkt D - Produkt

31 ee% 1 nur Katalyse I Katalyse II spielt Rolle 5 1% Umsatz

32 ν ν 1 2 K1 + ν B 1B K 2 + ν B 2 B Produkte Produkte ν 3 + ν 3 B B m K Produkte bezogen auf gilt: r d dt m j 1 ν j r j

33 1. Ordnung r d dt k Integralmethode mit 1 r p r S + + k 1 k 2 k d d dt dt s 2 p ln gegen t liefert Summe der Geshwindigkeitskonstanten. us dem Bildungsgeshwindigkeiten für P und S kann das Verhältnis von k 1 zu k 2 ermittelt werden. k P S k 2 1 ( k1 + k 2 )

34 Folgereaktionen: (Pyrolyse: Kohlenwasserstoffe zu Ethylen, Propen und Wasserstoff) P k k 1 2 S r r p d dt d dt p + k 1 k 1 m m k 2 n p r S d dt s k 2 n P

35 S C P C t

36 Irreversible Reaktion Satzreaktor m n 1 C : durh Integration k1 e t C p : d dt p k 1 e k t 1 k 2 p s(t) a(t)y lineare, inhomogene Differentialgleihung, 1. Ordnung, lösen nah y a( t) y + s( t) (Übung) Danah läßt sih S berehnen!

37 Reaktoren

38 Chemishe Reaktoren Chemisher Reaktor: Hier findet die hemishe Umsetzungsreaktion statt (z. B. Kolben, Reagenzglas im Labor) Wie einteilbar?: a) z. B. nah Betriebsbedingungen T-Bereih Drukbereih b) z. B. nah Reaktionsphasen Einphasenreaktoren Zwei-, Mehrphasenreaktoren

39 ) z. B. nah Konstruktion -bsp. Reaktoren für heterogen kat. Gasreaktoren Wärmetausher Horde Vollraumreaktor -Hordenreaktor -Rohrbündelreaktor -Wanderbett Reaktoren -Radialkonverter -Wirbelshihtreaktor

40 Nah Prozessführung a.) diskontinuierlih b.) kontinuierlih.) halbkontinuierlih

41 Nah Reaktortyp: - Modellierung eines Reaktors allein ist shwierig. Betriebsbedingung und konstruktive Merkmale sind hier äußerst wihtig. Nah rt der Prozessführung: - übershaubar, oftmals das normale Handwerkzeug aus dem Labor

42 B B B C B C a) b) ) d) bb.1 :Grundtypen hemisher Reaktoren: a) diskontinuierliher Rührkessel (Bath-Raktor) b) halbkontinuierliher betriebener Rührkessel ) Strömungsrohr d) kontinuierlih betriebener Rührkessel

43 Reaktionsführung Konzentrationsverlauf zeitlih örtlih 1) Diskontinuierlh V R instationär, homogen aus aus t /2 t aus t aus x t aus t t /2 aus t t 2) Kontinuierlih b) Idealkessel a) Idealrohr Zulauf ustrag stationär, inhomogen Zulauf ustrag V R stationär, homogen ein ein aus aus t t x x L/2 x L ein ein aus aus L/2 x x L

44 zu a.) instationärer Betrieb gut: billig, wenig Regelaufwand flexibel (für vershiedene Prozesse einsetzbar) hohe Umsätze bei definierter Reaktionszeit shleht - Totzeiten - hohe Lohnkosten, da viel Personal nötig wann nötig: - geringe Mengen: (z. B. Spezialitäten) - oft wehselnde Produkte - Shwierigkeiten beim Kontibetrieb

45 zu b.) zu,d.) Mishung aus beiden stationärer, kontinuierliher Betrieb gut: automatisierbar geringe Lohnkosten kleinere Reaktorvolumina, da Totzeiten entfallen gleih bleibende Produktqualität shleht - wenig flexibel - Rohstoffe müssen stets gleihe Qualität haben - hohe Investitionskosten

46 Massenbilanz Folgende Größen führen zu einer Änderung der Stoffkonzentration in einem Volumenelement (Bilanzraum): rein raus Bilanzraum Änderung Wir betrahten: - Konvektion - Konduktion (Dispersion) - Reaktion (- Stoffübergang)

47 y Δx. n i,z() Δy. n + z i,z,() Δ y z x z Δz z + zδ Konvektion & rein bei z(): n V ( u ) Δx y & & i, z() i i z Δ z() raus bei z()+δz: n ( u ) Δx Δy i, z() + Δz i z z() + Δz Taylorreihenentwiklung bis zum 2. linearen Glied, um n&, an dem Punkt z() + Δz angeben zu können. Taylorreihe allgemein: z f(x) um Punkt a entwikeln x a f(x) f (a) + f (a) + f (a) 1! ( x a) 2!

48 TCI TCI ( ) ( ) ( ) + + z u y u x u t z i y i x i i Konvektion:

49 Dispersion uh: turbulente oder konvektive Diffusion Ursahen sind durh Strömung bedingt: Rohr (leer) Shüttshihten Mehrphasensysteme Strömunsprofil Randrauhigkeit Unteshiedlihe Geshwindigkeiten Dihteuntershiede Vernetzungseffekte Haftwirkung Toträume Toträume Mishzellen Verwirbelung Haftwirkung Blasensäule: Flüssigkeit haftet an Gasblasen

50 Diffusion niht rein stohastish, dennoh wie Diffusion: r ni J & D i z molekulare konvekt. Dispersion Diffusion Ursahe Entropiemaximierung Strömungsbedingungen Transportmehanismus Molekularbewegung Mikro- Makroturbulenzen Wirkung molekülspezifish niht molekülspezifish Größenordnung der Einzelshritte mittlere freie Weglänge harakteristishe pparatedimension (z.b. Rohrdurhmesser, Partikeldurhmesser)

51 Für Konduktionsterm (Dispersionsterm) Dispersion wird als Konduktionsterm wie ein molekularer Transportterm betrahtet (ähnl. Diffusion) r n J & i Di 1. Fikshes Gesetz z Reaktionen i t i ν i j r j r r Stoffübergang: t i β V Δ i mit : spez. ustaushflähe Δ i : Triebkraft β: Phasenübergangskoeffizient

52 differentielle Konzentrations - änderung erzwungene + Konvektion effektive Diffusion + [ Reaktion] Mathematish läßt sih diese Beziehung als Bilanzgleihung formulieren: r r - div (u ) - div (j ) + r i i υi ij t oder t r - div (u i ) + div (D i grad i ) + r

53

54 Satzreaktor Bath Reator bhängigkeit von der Zeit (t) C bhängigkeit vom Ort (z) C t z

55 Die Bilanzgleihung lautet: d r r dt angewandt auf die einfahe Reaktion B (Reaktion 1. Ordnung) ergibt sih mit a du da dt k k a (1- U) a dt 1 ln ( 1 U) k t t 1 k ln 1 1 U

56 z Strömungsrohr PFR Plug Flow Reator bhängigkeit von der Zeit (t) C bhängigkeit vom Ort (z) C z t z

57 du ( i ) + r dx u d i dx r du dv i r V& Durh Integration erhält man: i V& U du dv r V V τ i U du r

58 Durhflussrührkessel CSTR Continuous Stirred Tank Reator bhängigkeit von der Zeit (t) C bhängigkeit vom Ort (z) C τ 1 τ 1 t Z

59 d dt d dt r div u + r r r div u Integration über Volumen der Reaktionsmasse V d dt r dv V div r u dv

60 Nah dem Gaußshen Satz gilt: Wenn ein Vektorfeld in einem Volumen definiert ist, dann ist das Integral der Divergenz des Vektorfeldes gleih dem Fluss des Vektorfeldes durh die das Volumen begrenzende Flähe. df r ist die Normale auf der Flähe durh die das Vektorfeld durh die Oberflähe des Volumens geht. df Im Prinzip eine Integration über die Gesamtflähe. Man betrahtet was rein und rausgeht.

61 d dt r V F u r df F u r e df F o V ( u u ) ein aus ( ) ein aus d dt Damit ergibt sih: 1 ein aus + r O stationär τ ( ) ( )

62 d dt τ 1 ( ) + r O ein aus im stationären Fall τ r U ein mit U ( ein aus ) ein U τ r ein