Manuel Jakubith 2008 AGI-Information Management Consultants May be used for personal purporses only or by libraries associated to dandelon.com network. Grundoperationen und chemische Reaktionstechnik Einführung in die Technische Chemie WILEY-VCH Weinheim New York Chichester Brisbane Singapore Toronto
Inhalt Bilanzgleichungen und Zustandsgieichungen 1 1.1 Aufgabengebiet der Technischen Chemie 2 1.2 Bilanzgleichungssysteme 4 1.2.1 Beispiel: Mischen von Gasströmen (Anwendung der Masse-, Impuls- und Energiebilanz sowie der Zustandsgieichung) 8 1.3 Zustandsgieichungen für Gase 12 1.3.1 Beispiel: Berechnung realer Gase (Fugazitäts- und Virialkoeffizient) 21 1.4 Dampfdruckbeziehungen 23 1 Makroströme und Mikroströme 25 2 Strömende Medien 27 2.1 Ströme und Stromdichten 28 2.2 Kontinuitätsgleichung 31 2.3 Divergenz und Gradient 33 2.3.1 Beispiel: Durchsatz an Rohrverzweigungen 37 2.4 Viskosität 38 2.4.1 Beispiel: Messen der Scherspannung 39 2.5 Rheologische Stoffmodelle 40 2.6 Laminare Strömung 42 2.6.1 Beispiel: Laminare Strömung 44 2.6.2 Beispiel: Nicht-Newton-Flüssigkeiten 45 2.7 Reynolds-Zahl und hydrodynamische Grenzschicht 46
XII Inhalt 3 Navier-Stokes-, Euler- und Bernoulli-Gleichung 51 3.1 Ortsfeste und bewegte Koordinatensysteme 52 3.2 Aufstellung der Impulsbilanz 54 3.3 Navier-Stokes-Gleichungen 58 3.3.1 Beispiel: Walzen und Mischen von Polymeren 62 3.4 Euler-Gleichung mit Anwendung 65 3.4.1 Beispiel: Druckanstieg beim Ventilschließen 67 3.5 Hierarchie der Strömungsgleichungen 67 3.6 Bernoulli-Gleichung mit Anwendung 68 3.6.1 Beispiel: Durchflußmessung 73 4 Hydrodynamische Ähnlichkeit 75 4.1 Bedeutung der Kennzahlen 76 4.2 Modelltheorie 78 4.2.1 Beispiel: Modelltheorie - hydrodynamische Ähnlichkeit 80 4.3 Dimensionsanalyse 82 4.3.1 Beispiel: Kennzahlenansatz für die Rührerleistung 87 4.4 Welche Kennzahl wählen? 89 5 Strömungswiderstände, Partikelhaufwerke und Pumpen 91 5.1 Widerstand von Körpern in Strömungen 92 5.1.1 Beispiel: Widerstandskraft einer Kolonne 95 5.1.2 Beispiel: Kennzahlenansatz für die Widerstandskraft 96 5.2 Sedimentation 97 5.3 Widerstandsgesetze durchströmter Rohre 98 5.3.1 Beispiel: Druckverlust eines Rohrleitungssystems 100 5.4 Druckverlust eines Festbettreaktors 101 5.5 Druckverlust einer Wirbelschicht 104 5.5.1 Beispiel: Druckverlust einer Wirbelschicht 107 5.6 Filtergleichung von D'Arcy 107 5.7 Förderung durch Pumpen und Kompressoren 110 5.7.1 Beispiel: Berechnung einer Pumpenleistung 114 5.7.2 Beispiel: Leistungsbedarf eines Kompressors 116
Inhalt XIII 6 Transportgleichungen 117 6.1 Allgemeiner Transportansatz für Gase 118 6.2 Instationäre Diffusion 119 6.3 Berechnung des Diffusionskoeffizienten 125 6.3.1 Beispiel: Berechnung des Diffusionskoeffizienten 127 6.4 Berechnung des Viskositätskoeffizienten 133 6.4.1 Beispiel: Berechnung des Viskositätskoeffizienten 133 6.5 Berechnung des Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten 135 6.6 Schätzwerte der Transportkoeffizienten 136 II Stoffbilanz, Wärmebilanz und Reaktionskinetik 137 7 Konzentrationsfeld c (x,y,z,t), einfache Reaktormodelle 139 7.1 Aufstellung der Stoffbilanz 140 7.2 Anwendungen der Stoffbilanz (isothermer Fall) 147 7.3 Ideale kontinuierliche Reaktoren 150 7.3.1 Beispiel: Ideales Strömungsrohr 150 7.3.2 Beispiel: Idealer kontinuierlicher Rührkesselreaktor 152 8 Temperaturfeld T (x, y, z, t), Wärmebilanz, Reaktionsgleichgewichte 155 8.1 Aufstellung der Wärmebilanz 156 8.2 Temperaturfeld idealer Reaktoren 162 8.3 Wärmebilanz idealer Reaktoren 163 8.4 Anwendung der Wärmebilanz 165 8.4.1 Beispiel: Temperaturerhöhung in einem adiabatischen Strömungsrohr 167 8.5 Reaktionsgleichgewichte 169 8.5.1 Beispiel: Gleichgewichtsdiagramm 170 8.6 Ulich-Näherungen 172 8.6.1 Beispiel: Reaktionsgleichgewichtskonstante 175 9 Umsatz und Formalkinetik 177 9.1 Stöchiometrie und Umsatz 178 9.1.1 Beispiel: Stoffmengenanteil und Umsatz 182 9.1.2 Beispiel: Bilanzdiagramm einer reversiblen Reaktion 184 9.1.3 Beispiel: Bilanzdiagramm einer irreversiblen Reaktion 184
XIV Inhalt 9.2 Reaktionsgeschwindigkeit 186 9.3 Formalkinetik homogener Reaktionen 191 9.4 Zusammengesetzte Reaktionen 195 9.4.1 Beispiel: Integration von Zeitgesetzen 195 9.4.2 Beispiel: Parallelreaktion 198 9.5 Schlüsselkomponenten und Schlüsselreaktionen 204 10 Adsorption und heterogene Katalyse 211 10.1 Poröse Feststoffe 212 10.2 Adsorptionsisothermen und Porenparameter 213 10.2.1 Beispiel: Porenvolumen, Porenradien und Porenradienverteilung.. 219 10.3 Physisorption und Chemisorption 220 10.4 Katalytische Aktivität 222 10.5 Kinetik heterogener gasförmig/fest-reaktionen 228 10.5.1 Beispiel: Langmuir-Hinshelwood-Mechanismus 229 10.6 Makrokinetik: Diffusion und Reaktion 232 10.6.1 Beispiel: Porendiffusion in kugelförmigen Katalysatorpellets... 241 10.7 Festbettreaktor und Festbettadsorber 242 10.7.1 Beispiel: Berechnung eines Absorbers 246 III Reaktionstechnik 249 11 Laplace-Transformationen und Regelungstechnik 251 11.1 Funktionaltransformationen und Signale 252 11.2 Erzeugung der Laplace-Transformierten 255 11.2.1 Beispiel: Ermittlung einer Lösung durch Faltung 260 11.3 Lösung von Differentialgleichungen 260 11.3.1 Beispiel: Reaktion 1. Ordnung im batch-reaktor 261 11.3.2 Beispiel: Berechnung einer Folgereaktion 262 11.3.3 Beispiel: Lösung partieller Differentialgleichungen- Reaktion 1. Ordnung im instationären Strömungsrohr 262 11.3.4 Beispiel: Instationäre Diffusion 263 11.4 Funktionentabelle: Laplace-Transformationen 266 11.5 Zusammengeschaltete Systeme 267 11.6 Elemente der Regelungstechnik 270
Inhalt XV 12 Dispersionsmodell, Schadstoffdispersion und Zellenmodell 273 12.1 Ideale und reale Strömung 274 12.2 Dispersionsmodell 276 12.3 Dispersion in Rohren und Festbettreaktoren 280 12.4 Dispersion von Schadstoffen in der Luft 286 12.4.1 Beispiel: Ermittlung der Dispersionskoeffizienten 289 12.5 Zellenmodell und diskrete Systeme 291 12.5.1 Beispiel: Differenzengleichung für eine Reaktion 1. Ordnung... 293 12.5.2 Beispiel: Differenzengleichung für eine Folgereaktion 294 12.5.3 Beispiel: Differenzengleichung für ein stationäres Strömungsrohr mit Reaktion 2. Ordnung 294 12.5.4 Beispiel: Differenzengleichung für das Dispersionsmodell 295 12.6 Wahl des geeigneten Modells 296 13 Verweilzeitverhalten chemischer Reaktoren 299 13.1 Wichtigkeit der Verweilzeit 300 13.2 Relative Häufigkeit und Summenhäufigkeit 301 13.3 Markierungsmethodik 303 13.3.1 Beispiel: Markierung im kontinuierlichen Rührkessel 304 13.3.2 Beispiel: Markierung im kontinuierlichen Strömungsrohr 305 13.4 Verweilzeitverhalten idealer Reaktoren 306 13.5 Verweilzeitverhalten realer Reaktoren 314 13.6 Reaktorersatzschaltungen 318 13.6.1 Beispiel: Ersatzschaltung eines laminaren Rohrs 318 14 Isotherme und nichtisotherme Reaktionsführung 321 14.1 Betriebsarten chemischer Reaktoren 322 14.2 Umsatzberechnung isothermer Reaktoren 323 14.2.1 Beispiel: Damköhler-Beziehung für das ideale Strömungsrohr... 327 14.2.2 Beispiel: Damköhler-Beziehung für den idealen Rührkesselreaktor. 328 14.3 Verweilzeit und Umsatz 329 14.3.1 Beispiel: Umsatz-Damköhler-Beziehungen für die Verseifung eines Esters im CSTR sowie im idealen und laminaren Strömungsrohr. 332 14.4 Nicht-isotherme Reaktoren 333 14.4.1 Fallstudie: Reaktorauswahl bei nicht-isothermer Reaktionsführung 338
XVI Inhalt 15 Dynamisches Verhalten einfacher Systeme 349 15.1 Gekoppelte Differentialgleichungen 350 15.2 Lineare Differentialgleichungsysteme 352 15.3 Stabilitätskriterien 358 15.3.1 Beispiel: Anwendung des Routh-Kriteriums 361 15.3.2 Beispiel: Anwendung des Routh- und Hurwitz-Kriteriums 362 15.4 Nichtlineare Differentialgleichungssysteme 363 15.4.1 Fallstudie: Beurteilung der Stabilität einer autokatalytischen Reaktion 367 15.4.2 Fallstudie: Beurteilung der Stabilität eines nicht-isothermen Rührkesselreaktors 373 15.5 Strategie zur Beurteilung der Stabilität 376 IV Grundoperationen 377 16 Wärmetransport und Wärmetauscher 379 16.1 Beschreibung des Wärmetransports 380 16.1.1 Beispiel: Wirkung eines Strahlungschilds 381 16.1.2 Beispiel: Wärmeverlust einer Kolonne 386 16.1.3 Beispiel: Wärmewiderstand von Ablagerungen 387 16.2 Wärmetauscher 388 16.2.1 Beispiel: Berechnung der treibenden Temperaturdifferenz 393 16.3 Kennzahlen des Wärmeübergangs 395 16.3.1 Beispiel: Berechnung der Wärmeübergangszahl 399 16.4 Kriteriengleichungen des Wärmeübergangs 399 17 Stofftransport und Trocknung 405 17.1 Beschreibung des Stofftransports 406 17.2 Kennzahlen des Stoffübergangs 409 17.3 Kriteriengleichungen des Stoffübergangs 410 17.3.1 Beispiel: Stofftransport im Rieselfilm 412 17.4 Trocknung von Feststoffen 413 17.5 Grundlagen des Warmlufttrockners 415 17.5.1 Beispiel: Berechnung des idealen Trockners 421 17.5.2 Beispiel: Wärmeübergang und Trocknung in einem Walzentrockner 423
Inhalt XVII 18 Destillation und Rektifikation 427 18.1 Molekulare Wechselwirkungen in der Mischung 428 18.1.1 Beispiel: Überprüfung der Konsistenz von Dampfdruckrnessungen. 429 18.2 Partielle molare Größen und Exzeßgrößen 434 18.2.1 Beispiel: Ermittlung des partiellen molaren Volumens und des Exzeßvolumens 438 18.3 Berechnung der Aktivitätskoeffizienten 439 18.3.1 Beispiel: Berechnung des Systems Methanol - Propanon 445 18.4 Binäre Mischungen 448 18.5 Ternäre Mischungen 459 18.6 Rektifikation 464 18.7 Berechnung nach McCabe-Thiele 467 18.8 Berechnung nach Ponchon-Savarit 473 18.9 Berechnung mit der NTU-Gleichung und dem Zellenmodell 479 19 Extraktion 481 19.1 Thermodynamik der Extraktion 482 19.2 Kinetische Effekte der Extraktion 487 19.3 Einstufige Extraktion 492 19.3.1 Beispiel: Berechnung einer einstufigen Extraktion 492 19.4 Kreuzstromextraktion 494 19.4.1 Beispiel: Berechnung einer Kreuzstromextration 495 19.5 Gegenstromextraktion 497 19.5.1 Beispiel: Berechnung einer Extraktion nach dem Polstrahlverfahren 500 19.6 Berechnung aus der NTU-Gleichung 503 19.7 Berechnung nach dem Zellenmodell 505 20 Anhang 509 20.1 Formelzeichen 510 20.2 Wichtige Kennzahlen der Verfahrenstechnik 519 20.3 Berechnung physikalischer und technischer Größen 522 20.4 Sl-System 525 20.5 Angelsächsische Einheiten 529 20.6 Literaturverzeichnis 531 Register 537