TC1 - Grundlagen der Technischen Reaktionsführung 9-1. TC 1 - Grundlagen der Technischen Reaktionsführung
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- Ulrike Kaufman
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1 TC - Grunlagen er Technischen Reakionsführung Thermoynamische un kineische Grunlagen Soffbilanen Umsaverhalen er Grunypen von Reakoren Kaalyse Soffranspor un Reakion bei heerogen kaalysieren Reakionen Vergleich er Umsafunkionen er Grunypen von Reakoren, Umsafunkion er CSTR-Kaskae Charakerisierung von Reakoren, Verweileivereilung er Reakorgrunypen Verweileivereilung von Reakorkaskaen, Falunsinegral Reale Reakoren: Dispersionsmoell Reale Reakoren: rsamoelle, Umsaverhalen Nich-kaalyische Gas-Fessoffreakionen Speielle Reakoren: Fesbe, Wirbelschich inführung in ie nich-isoherme Reakionsführung Grunlagen er Technischen Reakionsführung / Prof. Dr. K.-H. Bellgar / Insiu für Technische Chemie / Leibni Universiä Hannover 9- Verweileisummenfunkion einer Kaskae aus N gleichen Iealen Durchflussrührkesseln h() =! F () Verweileispekrum Rekursive Berechnung miels Falungsinegral F () F 3 () τ τ τ 3 τ N i = Gesamverweilei τ e =! e Verweileisummenfunkion F= [! F () F= Grunlagen er Technischen Reakionsführung / Prof. Dr. K.-H. Bellgar / Insiu für Technische Chemie / Leibni Universiä Hannover 9-3! Berechnung urch parielle Inegraion F= [!! ] e ] e Umsaverhalen urchsrömer Reakoren bei einer einfachen, irreversiblen Reakion. Ornung U (PFR) =5 = = (CSTR) Kaskae: un realer Rekor: Umsa lieg wischen en beien Grenfällen U U CSTR < Kaskae Kaskae < U U PFR Real Ieales Srömungsrohr Keine Rückvermischung U= e CSTR-Kaskae: U= Iealer Durchflussrührkessel Volls. Durchmischung U= TC - Grunlagen er Technischen Reakionsführung 6.6. Die Unerschiee im Umsa sin urch ie unerschieliche Verweileivereilung un Ar er Rückvermischung being! Wie kann man reale Reakoren beschreiben? Zellenmoell (Kaskae) Dispersionsmoell Grunlagen er Technischen Reakionsführung / Prof. Dr. K.-H. Bellgar / Insiu für Technische Chemie / Leibni Universiä Hannover
2 6.6. Ieales Srömungsrohr Or Soffranspor Reales Srömungsrohr Ieal. Durchflussrührkessel Verweileiexperimen: Spursoffkonenraion über en Or im Reakor Verweileiexperimen: Spursoffkonenraion am Reakorausgang = () +τ +τ Grunlagen er Technischen Reakionsführung / Prof. Dr. K.-H. Bellgar / Insiu für Technische Chemie / Leibni Universiä Hannover 9-6 Or Reales Srömungsrohr Allgemeine lokale Soffbilangleichung = ivu iv J r V Zeiliche Änerung... urch Konvekion/Srömung urch Konukion/Leiung urch Reakion Der konvekive Transpor führ ur Verschiebung eines Spursoffpulses Der konukive Transpor führ ur Verbreierung eines Spursoffpulses: rweierung es Moells: +τ Mechanismen es konukiven Transpors speifiieren Maerialgleichungen aufsellen rgebnis: Fluss J es konukiven Soffranspors Wie erfolg er Transpor? Grunlagen er Technischen Reakionsführung / Prof. Dr. K.-H. Bellgar / Insiu für Technische Chemie / Leibni Universiä Hannover 9-8 Axiale Vermischung (,) u V R =L Or Soffranspor in realen Reakoren = Verschiebung + Verbreierung Or Or Or Konenraionsprofil es Spursoffs in einem realen Reakor Milere Verschiebung es Spursoffpulses urch Konvekion (gerichee Srömung er Reakionsmasse) Im Moell es PFR enhalen! Verbreierung es Spursoffpulses urch Konukion bw. Dispersion Raiale Geschwinigkeisprofile Lokale Geschwinigkeisschwankungen Vermischung urch Wirbelbilung (Turbulen) rweierung es PFR-Moells nowenig! Grunlagen er Technischen Reakionsführung / Prof. Dr. K.-H. Bellgar / Insiu für Technische Chemie / Leibni Universiä Hannover 9-7 Soffranspor in realen Rohrreakoren urch Konukion: Maerialgleichungen für en Sofffluss J i Mechanismus Diffusion Ursache: Brownsche Molekülbewegung Maerialgleichung: Ficksches Gese Rein iale Orsabhängigkei: Allgemein: Mechanismus Dispersion c J i = D i e i J i = D i gra Ursache: Irreguläre Srömung, Turbulen Maerialgleichung: Dispersionsmoell Rein iale Orsabhängigkei: J i = D e Allgemein: Tensoren In großen Reakoren Vernachlässigbar! isorop D ialer Dispersionskoeffiien D D i Soffunabhängig! anisorop Grunlagen er Technischen Reakionsführung / Prof. Dr. K.-H. Bellgar / Insiu für Technische Chemie / Leibni Universiä Hannover 9-9 TC - Grunlagen er Technischen Reakionsführung 9-
3 6.6. Annahme: Soffbilan: Ranbeingungen beim Dispersionsmoell Rohrleiung = Konvekion j u Konvekion: j u =u Dispersion: J u = Ranbeingung: Reakor Konvekion j ab J ab Dispersion j u = j ab J ab j ab =u J ab = D u =u D Geschlossenes Sysem Sprung! Grunlagen er Technischen Reakionsführung / Prof. Dr. K.-H. Bellgar / Insiu für Technische Chemie / Leibni Universiä Hannover 9-3 Reakor Konvekion j c u i J u Dispersion j u =u =L j u J u = j ab Rohrleiung Konvekion jab j ab =u c J u = D i = J ab = = Kein Sprung Kopplung Reakor-Umgebung Geschlossenes Sysem = =L Keine Rückvermischung über ie Reakorgrenen hinweg Zumeis gue Näherung für ie Pris Benu bei er Reakorberechnung! Offenes Sysem = =L Rückvermischung erfolg über ie Reakorgrenen hinaus Theoreisch einfacher Benu bei er Berechnung er Verweileivereilung! Grunlagen er Technischen Reakionsführung / Prof. Dr. K.-H. Bellgar / Insiu für Technische Chemie / Leibni Universiä Hannover 9- Soffbilan Reales Srömungsrohr: Zusammenfassung Dispersionsmoell = u D r V Anfangsbeingung,== S Wilhelmsche Ranbeingungen u =u D = =L = Dynamische Lösung bei einfacher, irreversibler Reakion. Ornung: R +R =R 3 inschalen es uksromes Sprung..... r V = k = kmol Grunlagen er Technischen Reakionsführung / Prof. Dr. K.-H. Bellgar / Insiu für Technische Chemie / Leibni Universiä Hannover 9-4 Lu D =4 m 3 Parameer: = /L TC - Grunlagen er Technischen Reakionsführung 9-3
4 6.6. Umsaverhalen beim Dispersionsmoell un einfacher, irreversibler Reakion. Ornung Soffbilan Wilhelmsche Ranbeingungen =: = u D r V u =u D = =L = Vorgehensweise ur Berechnung es Umsaes: Speialisierung er Bilangleichungen für eine einfache, irreversible Reakion. Ornung R +R =R 3 : r V = k Speialisierung er Bilangleichungen für en saionären Zusan = u D k inführung von imensionslosen Größen Lösung er saionären Bilangleichung Berechnung er Umsafunkion Diskussion er Lösung Gewöhnliche DGL. Ornung Ranwerproblem! Grunlagen er Technischen Reakionsführung / Prof. Dr. K.-H. Bellgar / Insiu für Technische Chemie / Leibni Universiä Hannover 9-5 Dispersionsmoell: Normierung Ranbeingungen Ranbeingung am inri u =u = D = Normiere Orskoorinae: = L c = = D Lu = enseinahl = Lu D Wilhelmsche Ranbeingungen in imensionslosen Variablen: = =L inseen un urch u iviieren: = Ranbeingung am Ausri =L = = Grunlagen er Technischen Reakionsführung / Prof. Dr. K.-H. Bellgar / Insiu für Technische Chemie / Leibni Universiä Hannover 9-7 = Dispersionsmoell: Normierung Soffbilan im saionären Zusan = u = u L D k Normiere Orskoorinae = L = = = D L k D k c Lu D Lu k rweiern: = L L = L L= L L = L = L Grunlagen er Technischen Reakionsführung / Prof. Dr. K.-H. Bellgar / Insiu für Technische Chemie / Leibni Universiä Hannover 9-6 L = u L u = u = Lu L Lu Hyroynamische Verweilei = L u Dimensionslose Kennahl: enseinahl Bilan mi imensionsloser unabhängiger Variablen: mköhlerahl L = L = Lu Voreil: Unabhängigkei von en Reakorimensionen, weniger Parameer D =k Zusammenfassung: Dispersionsmoell in normierer rsellung bei einfacher Reakion Saionäre Soffbilan = Gewöhnliche DGL. Ornung Ranbeingungen Linksseiig, κ=: = Rechsseiig, κ=: = = enseinahl mköhlerahl Hyroynamische Verweilei = = Lu D =k = L u Simulaionsbeispiel: Saionärer Zusan infache, irreversible Reakion. Ornung Grunlagen er Technischen Reakionsführung / Prof. Dr. K.-H. Bellgar / Insiu für Technische Chemie / Leibni Universiä Hannover 9-8 =4 =. Sprung = (,κ) τ κ κ= = kmol m 3 = κ TC - Grunlagen er Technischen Reakionsführung 9-4
![= e c e =[ e e ] q q q q = = c e e e inseen e Oben einseen e ] q q q q = K = c e e e Umsorieren, = ±q Technische](/docs-images/62/47275503/images/5-1.jpg "Reakionsführung: Nich-isoherme Reakoren / Prof. Dr. K.-H.")
5 Dispersionsmoell: Lösung bei einfacher Reakion. Ornung Saionäre Soffbilan = c Lösungsansa: igenwere er DGL:, = 4 ± Aus Ranbeingungen: Dispersionsmoell: Lösung bei einfacher Reakion. Ornung =K K c = e c e =[ e e e K = e c e =[ e e ] q q q q = = c e e e inseen e Oben einseen e ] q q q q = K = c e e e Umsorieren, = ±q Technische Reakionsführung: Nich-isoherme Reakoren / Prof. Dr. K.-H. Bellgar / Insiu für Technische Chemie / Uni Hannover e ausklammern inseen - TC - Grunlagen er Technischen Reakionsführung =K e e inseen K = c e e e = e e e e = c e e e c c = = e e Umsafunkion: 6.6. U= c U= e e Technische Reakionsführung: Nich-isoherme Reakoren / Prof. Dr. K.-H. Bellgar / Insiu für Technische Chemie / Uni Hannover - 9-5
6 Dispersionsmoell: Grenfälle er Umsafunkion Umsafunkion: U= e e Grenfall : U= e e U= U= e U e küren: e e Umsafunkion es PFR, = ± 4 x x = = In Umsafunkion einseen, ± s reale Srömungsrohr näher sich für em PFR an Technische Reakionsführung: Nich-isoherme Reakoren / Prof. Dr. K.-H. Bellgar / Insiu für Technische Chemie / Uni Hannover Approximaion es realen Srömungsrohrs urch eine Rührkesselkaskae CSTR (Zellenmoell) -4 Umsaverhalen es realen Srömungsrohrs bei einer einfachen, irreversiblen Reakion. Ornung U =5 = Umsa lieg wischen en beien Grenfällen U CSTR < U Real < U PFR 4-Sufige CSTR-Kaskae s reale Srömungsrohr kann urch eine Rührkesselkaskae angenäher weren: Sufenahl Grunlagen er Technischen Reakionsführung / Prof. Dr. K.-H. Bellgar / Insiu für Technische Chemie / Leibni Universiä Hannover 9-5 Ieales Srömungsrohr Keine Rückvermischung ( ): U= e Reales Srömungsrohr: U= e e CSTR-Kaskae: U= Iealer CSTR Volls. Durchmischung ( ): U= Verweileispekrum beim Dispersionsmoell Soffbilan = u D R i plus Wilhelmsche Ranbeingungen (geschlossenes Sysem) Spursoffbilan (keine Reakion!) c S = u c S D c S plus Unenlich Wilhelmsche ausgeehnes, Ranbeingungen offenes Sysem Die rmilung er analyischen Lösung is für as geschlossene Sysem exrem aufwänig! Vereinfachene Annahme: Offenes Sysem c S () c S () u V (,) V R c S () =L c S () TC - Grunlagen er Technischen Reakionsführung 6.6. Dispersionsmoell Zellenmoell: Jeer kleine Rührkessel (Zelle) repräsenier einen kuren Abschni es Rohrreakors Rückvermischung nur innerhalb einer Zelle Dispersionsmoell: Rückvermischung über ie gesame Länge es Reakors! Grunlagen er Technischen Reakionsführung / Prof. Dr. K.-H. Bellgar / Insiu für Technische Chemie / Leibni Universiä Hannover 9-6 Beies sin geschlossene Syseme Tessignal Spursoffpuls: Verweileispekrum = e 4 c S = Lösung er Spursoffbilan: c S =c S, L= (Analyisch immer noch sehr aufwänig!) mi = L u ; = c S (,) Grunlagen er Technischen Reakionsführung / Prof. Dr. K.-H. Bellgar / Insiu für Technische Chemie / Leibni Universiä Hannover 9-8 u δ() ; = ul D () =L 9-6
7 Verweileispekrum beim Dispersionsmoell Verweileispekrum = Varian er Vereilung = 4 igenschafen e 4 für kleine breie un sark unsymmerische Vereilung mi seigenem immer schmaler (Grenfall PFR) un prakisch symmerisch Maß für ie Breie es Peaks Probleme auf Grun er Annahme eines offenen Sysems Die milere Verweilei is ungleich er hyroynamischen Verweilei τ Reales Sysem eig abweichenes (Θ) bei kleinem <5 θ (Θ)=τ() sehr ungenau = = Θ Grunlagen er Technischen Reakionsführung / Prof. Dr. K.-H. Bellgar / Insiu für Technische Chemie / Leibni Universiä Hannover Für >5 is er influss er Räner vernachlässigbar! Symmerische Gaußvereilung e 4 TC - Grunlagen er Technischen Reakionsführung
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