Aufgabe, Bedeutung und Definition der chemischen Reaktionstechnik... 1

Transkript

1 Kapitel 1 Aufgabe, Bedeutung und Definition der chemischen Reaktionstechnik Klassifizierung chemischer Reaktionen 2 2. Grundbegriffe der Reaktionstechnik 3 Kapitel 2 Stöchiometrie chemischer Reaktionen 7 1. Zusammensetzung des Reaktionsgemisches 7 2. Schlüsselkomponenten und Schlüsselreaktionen 8 3. Reaktionsfortschritt Zusammenhang zwischen Stöchiometrie und Reaktionskinetik 16 Literatur Kapitel 3 Chemische Thermodynamik Reaktionsenthalpie zih r und Gibbssche freie Standard-Bildungsenthalpie Berechnung thermodynamischer und kalorischer Werte nach Näherungsverfahren Das chemische Gleichgewicht Grundgleichungen Massenwirkungsgesetz Gleichgewichtskonstanten Maximaler Umsatz (Gleichgewichtsumsatz) Berechnung von Simultangleichgewichten Graphische Methode zur Lösung von Simultangleichgewichten Numerische Methoden zur Lösung von Simultangleichgewichten Relaxationsmethode Quadratsummenminimierung 31 Literatur 32

2 Kapitel 4 Kinetik chemischer Reaktionen - Mikrokinetik 1. Homogene Gas- und Flüssigkeitsreaktionen 1.1 Kinetik homogener chemischer Reaktionen 2. Heterogen katalysierte Reaktionen 2.1 Adsorption, und Desorption 2.2 Katalytische Oberflächenreaktion 2.3 Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von den Gasphasenkonzentrationen Katalytische Oberflächenreaktion als geschwindigkeitsbestimmender Schritt Komplexe Kinetik einer einfachen Reaktion Hougen-Watson-Geschwindigkeitsansätze 2.4 Desaktivierung heterogener Katalysatoren 3. Gas/Feststoff-Reaktionen 4. Homogen katalysierte Reaktionen Literatur Kapitel 5 Kinetik von Stoff- und Wärmetransportvorgängen. 1. Molekulare Transportvorgänge 1.1 Diffusion 1.2 Wärmeleitung 1.3 Viskosität 2. Diffusion in porösen Medien 2.1 Molekulare Diffusion 2.2 Knudsen-Diffusion 2.3 Diffusiver Stofftransport im Übergangsgebiet von molekularer zu Knudsen-Diffusion 2.4 Poiseuille-Strömung 2.5 Sonderfälle der Diffusion in porösen Feststoffen 3 Wärmeleitfähigkeit in porösen Feststoffen 4. Stoff-, Wärme- und Impulstransport an Phasengrenzflächen 4.1 Wärmeübergang 4.2 Stoffübergang 4.3 Reibung Literatur Kapitel 6 Zusammenwirken von chemischer Reaktion und Transportvorgängen - Makrokinetik - 1. Gas/Feststoff-Reaktionen 1.1 Nicht-poröse Feststoffe

3 1.2 Poröse Feststoffe Heterogen katalysierte Gasreaktionen Äußere Transportvorgänge Stoffübefgang und chemische Reaktion Zusammenwirken von chemischer Reaktion mit Stoffund Wärmeübergang Innere Transportvorgänge und chemische Reaktion Porendiffusion und chemische Reaktion Zusammenwirken von chemischer Reaktion, Diffusion und Wärmeleitung im porösen Katalysator Gleichzeitiges Auftreten äußerer und innerer Konzentrations- und Temperaturgradienten Isotherme Bedingungen Nicht-isotherme Bedingungen Beeinflussung der Temperaturabhängigkeit und der Ordnung der Reaktion durch Stofftransportvorgänge Temperaturabhängigkeit der Reaktion Reaktionsordnung Einfluß der Transportvorgänge auf die Selektivität Einfluß der äußeren Transportvorgänge auf die Selektivität Einfluß der inneren Transportvorgänge (Porendiffusion) auf die Selektivität Kriterien zur Abschätzung des Einflusses von Stoff- und Wärmetransportvorgängen auf den Reaktionsablauf Fluid/Fluid-Reaktionen Modellvorstellungen zum Stoffübergang an Fluid/Fluid-Phasengrenzflächen Chemische Reaktion und Stoffübergang Einfluß des Stoffübergangs bei Fluid/Fluid-Reaktionen auf die Selektivität 160 Literatur 160 Kapitel 7 Messung und Auswertung kinetischer Daten Laborreaktoren Zielsetzungen kinetischer Untersuchungen Prinzipien der Betriebsweise und Bauart Allgemeine apparative Gesichtspunkte Spezielle Laborreaktoren Laborreaktoren für homogene Reaktionen Laborreaktoren für heterogen katalysierte Gasreaktionen Laborreaktoren für Gas/Feststoff-Reaktionen Laborreaktoren für Gas/Flüssig-Reaktionen Auswertung kinetischer Daten Klassische Methoden 194

4 2.1.1 Einfache Reaktionen Komplexe Reaktionen Statistisch begründete Methoden der Versuchsplanung und Auswertung Lineare Regression Normalgleichungen und Standard-Normalgleichungen Beurteilung einer Regression Grenzen der multiplen linearen Regression Versuchspläne für die lineare Regression 226 Literatur 234 Kapitel 8 Typen chemischer Reaktionsapparate Einphasige Systeme Rührkesselreaktoren/Mischapparate Strömungsrohre Mehrphasige Systeme Fluid-Feststoff-Systeme Festbettreaktoren Wirbelschichtreaktoren Weitere Gas-Feststoff-Reaktoren Fluid-Fluid-Systeme Blasensäulen-Reaktor Rührkessel für Fluid-Fluid-Reaktionen Bodenkolonnen Füllkörperkolonnen Strahlwäscher Gas-Flüssig-Fest-Systeme Festbettreaktoren Dreiphasen-Wirbelschicht Suspensionsreaktoren 267 Literatur 268 Kapitel 9 Modellierung chemischer Reaktoren Ideale Reaktoren für homogene und quasi-homogene Reaktionssysteme Stoff- und Energiebilanzen Absatzweise betriebener Rührkesselreaktor Isotherme Reaktionsführung Nicht-isotherme Reaktionsführung Kontinuierlich betriebener idealer Rührkesselreaktor Stoffbilanz des kontinuierlich betriebenen Rührkesselreaktors 288

5 1.3.2 Wärmebilanz des kontinuierlich betriebenen Rührkesselreaktors Übergangsverhalten des kontinuierlich betriebenen Rührkesselreaktors Idealer Strömungsrohrreaktor Stoffbilanz Wärmebilanz Kombination idealer Reaktoren Kaskade kontinuierlich betriebener Rührkesselreaktoren Strömungsrohrreaktor mit Rückführung Reale Reaktoren für homogene und quasi-homogene Systeme Verweilzeit-Verteilung in chemischen Reaktoren Experimentelle Bestimmung der Verweilzeit-Verteilung Sprungfunktion Pulsfunktion Beliebige Eingangsfunktion Verweilzeit-Verteilung in idealen Reaktoren Idealer Strömungsrohrreaktor Idealer kontinuierlich betriebener Rührkesselreaktor Reaktorkaskade Laminar durchströmtes Rohr Verweilzeit-Modelle realer Reaktoren Dispersionsmodell Zellenmodell Mehrparametrige Modelle Verhalten realer Reaktoren Rührkesselreaktoren Strömungsrohrreaktoren Einfluß der Verweilzeit-Verteilung und der Vermischung auf die Leistung realer Reaktoren Reaktionen erster Ordnung Reaktionen mit nicht-linearer Kinetik Reaktoren für heterogene Fluid-Feststoffreaktionen Heterogen-katalytische Festbettreaktoren Druckabfall in Festbettreaktoren Adiabate Festbettreaktoren Polytrope katalytische Festbettreaktoren 360 Literatur 370 Kapitel 10 Reaktorauswahl und reaktionstechnische Optimierung Einfache Reaktionen (Umsatzproblem) Absatzweise betriebener Reaktor Kontinuierlich betriebene Reaktoren Konzentrationsführung 386

6 1.4 Temperaturführung Komplexe Reaktionen (Ausbeuteproblem) Reaktorwahl und Konzentrationsführung Temperaturführung 415 Literatur 419 Sachverzeichnis 421