Grundpraktikum im BA-Modul Technische Chemie

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1 Grudpraktkum m B-Modul Techche Cheme Da Grudpraktkum Techche Cheme behaltet e Egagkolloquum (cl. Scherhetbelehrug - Zetdauer ca. 1 Stude), 5 eruche (cl. Kolloquum zum ewelge eruch) owe e Semarvortrag (ca. 15mütg). De Kolloque d Gruppe zu zwe ( uahmeälle zu dre) Studete/e durchzuühre. De eruche erae de Themegebete: - Rektkato, - Wärmeübertragug, - Thermche erhalte vo Reaktore, - Ketk homogeer Reaktoe (Formalketk), - erwelzetverhalte (Strömugzutäde Reaktore), De Rektkato t de wchtgte thermche Grudoperato ud det der Treug vo Flügketgemche durch wederholte erdampe ud Kodeere. Be thermche Grudoperatoe t ür de ulegug der Treapparate (zum Bepel Trekoloe) de Ket der Phaeglechgewchte (her da Glechgewcht zwche der Flüg- ud der Dampphae - LE) al Fukto der Prozeparameter vo grudlegeder Bedeutug. De geaue Ket der Mechame der Wärmeübertragug t orauetzug ür de chere blau vo chemche Prozee ud de rchtge Dmeoerug vo Reaktore, Wärmetaucher ud Rohrletuge. Zur dmeoloe Bechrebug de Wärmelue durch pparatewäde werde der Regel Krtereglechuge heragezoge, da heßt, da der Wärmedurchgag mt Hle dmeoloer Kezahle bechrebe wrd. It de chemche Reakto mt eem Wärmeumatz verbude ( R H J/mol), mu bem Etwur de Reaktor ebe der Megeblaz auch de Wärmeblaz ertellt werde. Im Thermche erhalte vo Reaktore werde ür de dealerte Reaktortype (CSTR ud PFR) de ewel autretede Charaktertker vorgetellt. De Formalketk erat de Reaktoparameter eer ( erglech zu de theoretch uderte Iterpretatoe der Phykalche Cheme) mathematch vereachte Form. So t bepelwee de ktverugeerge der Parameter, der de Temperaturabhäggket der Reaktogechwdgket wedergbt ud ka cht mehr al "Höhe ee ktverugberge" gedeutet werde. uch de Reaktoorduge d cht mehr au dem Reaktochema abletbar. Ibeodere be kotuerlcher Prozeührug t cht ur de erwelzet der Reaktomae m Reaktor oder auch de durch Rückvermchug bedgte Streuug der Fludelemete um de mttlere erwelzet etcheded ür de Umatz owe, be komplexe Reaktoe, ür 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 de. Dee Skrpte d ür de tere Gebrauch betmmt ud kotere heruter zulade. 1

2 Bem Egagkolloquum zum Praktkum der Techche Cheme werde olgede Themebereche beproche: ) Berechug vo Phaeglechgewchte realer Syteme Be der Rektkato werde Flügkete mt zwe oder mehr Kompoete durch mehrache erdampug ud Kodeato getret. De ch wederholede orgäge de eer vertkale Koloe tatt, der der autegede Damptrom ud der herableßede Kodeattrom (Gegetromprzp) m tädge Sto- ud Wärmeautauch tehe. De Trebkrat t, we ür ede thermche Treproze, da Strebe ach Erreche de thermodyamche Glechgewcht zwche alle m Blazraum autretede Phae (ehe: Lehrbuch Thermodyamk Gmehlg, Kolbe; Georg Theme erlag 1988). Da Glechgewcht t errecht, we ebe Druck ud Temperatur de chemche Potetale eder Kompoete alle Phae glech d, o da glt: α β T T... T P α P β... P α β µ µ... µ α, β, - bezeche uterchedlche Phae. Da chemche Potetal eer Kompoete lät ch über de Fugaztäte audrücke: µ µ ( T, P ) + R T l (2) Da m Phaeglechgewcht de Temperatur ud der Druck alle Phae glech d, ka de Phaeglechgewchtbedgug ebeo mt Hle der Fugaztäte ormulert werde. Im Phaeglechgewcht glt alo de Iougaztätbezehug. Für e Phaeytem Damp ()/ Flügket (L) glt: (3) L Fugaztäte d allerdg kee mebare Größe. Dehalb müe zum Erae de reale erhalte (bwechuge vom deale erhalte) Fugaztät- (ϕ) bzw. ktvtätkoezete (γ) egeührt werde. Damp/Flügket-Glechgewchte (LE vapor/lqud-equlbrum) lae ch uter Zuhleahme vo Zutadglechuge ür bede Phae (Methode ) oder uter wedug vo Fugaztätkoezete ür de Dampphae owe ktvtätkoezete ud Sättgugdampdrücke ür de lüge Phae (Methode B) bechrebe. (1) 2

3 Be der Methode B wrd de Fugaztät der Kompoete der Dampphae mt Hle de y ϕ P ud der lüge Phae uter wedug de Fugaztätkoezete ( ) ktvtätkoezete γ augedrückt. Im Gegeatz zum Fugaztätkoezete wrd be erwedug de ktvtätkoezete de Fugaztät au ee Stadardugaztät bezoge. De Stadardugaztät tellt ee Bezugwert ür de Fugaztät dar ud t re wählbar. Se ollte allerdg o gewählt werde, da de Werte ür de Fugaztätkoezete möglcht weg vom Wert 1 abweche. Be der detllatve Treug ee Flügketgemche ollte al Stadardugaztät de Fugaztät der ree Flügket be Sytemtemperatur ud Sytemdruck gewählt werde. a γ x (4) a t de ktvtät ud γ der ktvtätkoezet der Kompoete. De Iougaztätbezehug (Gl. 3) ergbt ach Methode B: x γ y ϕ P (5) l Stadardugaztät wrd de Fugaztät der ree Flügket bem Sytemdruck verwedet. Dee berechet ch au dem Fugaztätkoezete der Kompoete bem Sättgugdampdruck ( ϕ ), dem Sättgugdampdruck ( P ) ud dem Poytg-Faktor ( Poy ) x γ ϕ P Poy y ϕ P (6) Der Poytg-Faktor erat de Elu der Kompreo bzw. der Expao der Flügket bem Übergag vom Sättgugdampdruck au de al Stadardugaztät gewählte Sytemdruck. Im allgemee t Poy 1 ud ka verachlägt werde. ( ) ϕ lät ch uter Beutzug der ralglechug bereche. De ralkoezete d Tabellewerke zu etehme. Im allgemee t ϕ ϕ (uahme: tark aozerede erbduge we Carboäure), o da glt: x γ P y P (7) De Methode B hat gegeüber der Methode de ortel, da mt Hle eacher Modelle (Modelle, de ur wege Parameter ethalte) ee zuverläge Bechrebug de Phaeglechgewcht möglch t. Se t auch au Elektrolyte ud Polymeryteme awedbar, veragt allerdg der Nähe de krtche Pukte. Zur ulegug ee Treprozee t de Ket de K-Faktor eder Kompoete al ( T, P, ) erorderlch. K γ P y / x (8) P Da erhält der K-Faktore verchedeer Kompoete ( ud ) wrd al Treaktor ( α ) bezechet. Deer t e Maß ür de zu erzelede Treug zwche de Kompoete ud : γ P α K / K (9) γ P x 3

4 B) Detoe zur Reaktoketk ud Struktur ketcher Geetze Uter der Reaktogechwdgket verteht ma de zetlche Äderug der Molzahl der betrachtete Kompoete # bezoge au ee de Reaktoort charaktererede Parameter ξ (X): r 1 ξ d dt I homogee (ephage) Syteme t der Reaktoort da olume der Phae, o da glt: r 4 (1) d dc 1 (11) dt dt I heterogee Syteme t e üblch, de zetlche Äderug der Stomege au Größe we Phaegrezläche, Katalyatormae, Katalyatorvolume, Katalyatoroberläche, Wadläche etc. zu bezehe. Beachte: Heterogee Syteme d der Prax häug azutree. E t dehalb beoder darau zu achte, we r deert t ud wa ξ dartellt. Ot uterchede ch Lteraturwerte ür r ur dehalb, wel uterchedlche Größe ür ξ gewählt wurde. De Reaktogechwdgket t vo zahlreche Parameter abhägg. Stark vereached - aber ür techche Zwecke ot aureched - lät ch r durch olgede atz dartelle: r F( ) Y(T, Katalyator, e, h,...) Dabe tellt Φ( ) bzw. Φ(c ), Φ(p ) ee vo de Stomege (Kozetratoe, ktvtäte, 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 zuammegeat wrd. Ma beachte aber tet, da k r k(t, Umgebug) t. Wetere wchtge Begre der Reaktoketk d der Umatz, de ubeute ud de Selektvtät. Der Umatz (etpreched der Ketk ## ) t de betmmter Zet umgeetzte Stomege a Edukt bezoge au de egeetzte Mege deer Kompoete: X (12) I der Regel wrd ür de Formulerug de Umatze de Schlüelkompoete (töchometrche Uterchukompoete / Mmum) verwedet. Be abwechedem orgehe wrd durch erwedug ee Idexe agegebe, au welche Kompoete ch der Umatz bezeht. De Begre ubeute ud Selektvtät werde uter Ebezehug der Stöchometre deert. De ubeute t de gebldete Stomege a Produkt bezoge au de egeetzte Mege (Edukt) a Schlüelkompoete k: Y ν k k (13) k ν # I. allg. t r au de Schlüelkompoete (der uter Berückchtgug der Stöchometre m Uterchu vorlegede ugagto) bezoge ud daher tet egatv. ## Be reverble Reaktoe wrd de Lage de Reaktoglechgewcht durch de Thermodyamk betmmt (ehe ute)

5 De Selektvtät t de gebldete Stomege a Produkt bezoge au de umgeetzte Stomege a Schlüelkompoete k: S Y ν k k k (14) X k k ν Wetere, mehr der dutrelle Prax verwedete Begre d: De Raum-Zet-ubeute (bzw. Reaktorkapaztät) Maetrom a Schlüelkompoete dvdert durch da Reaktorvolume: RZ. m k (15) R ot wrd ür da Reaktorvolume de egeetzte Katalyatormae verwedet, o da auch herbe au de verwedete Ehet zu achte t! De Reaktorbelatug (auch al Raumgechwdgket oder Space elocty bezechet) de Reaktor egeleteter olumetrom bezoge au da Reaktorvolume:. S (16) R C) Grudlage zur Berechug de Reaktoglechgewcht 5

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