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Chemiereaktoren: Grundlagen, Auslegung und Simulation, 2. Auflage

Chemiereaktoren: Grundlagen, Auslegung und Simulation, 2. Auflage

Jens Hagen

ISBN: 978-3-527-34238-9

Jun 2017

464 pages

Inhaltsverzeichnis

Vorwort zur 2. Auflage IX

Vorwort zur 1. Auflage XI

Formelzeichen und Abkurzungen XIII

1 Einfuhrung 1

1.1 Die Aufgaben der Chemischen Reaktionstechnik 1

1.2 Wirtschaftliche Prozessführung 4

1.3 Literatur zu Beispielen, Übungen und weiterführende Literatur 6

2 Chemiereaktoren im Uberblick 7

2.1 Betriebsweise und Grundtypen von Chemiereaktoren 7

2.2 Beurteilungsgrößen für Chemiereaktoren 11

2.3 Literatur zu Beispielen, Übungen und weiterführende Literatur 17

Lösungen zu den Übungsaufgaben 17

3 Physikalisch-chemische Aspekte der Reaktionstechnik 19

3.1 Umsatz und Stöchiometrie 19

3.2 Das chemische Gleichgewicht 23

3.3 Reaktionskinetische Gleichungen 24

3.4 Aufstellen der Stoffbilanz 28

3.5 Aufstellen derWärmebilanz 30

3.6 Literatur zu Beispielen, Übungen und weiterführende Literatur 31

Lösungen zu den Übungsaufgaben 32

4 Grundlagen der Reaktormodellierung und -simulation 33

4.1 Mathematische Modelle 33

4.2 Simulation 36

4.3 Numerische Differenziation 37

4.4 Lösung von partiellen Differenzialgleichungen 39

4.5 Lösung von Differenzialgleichungen 2. Ordnung 39

4.6 Lösung eines Systems von nichtlinearen Gleichungen 43

4.7 Literatur zu Beispielen, Übungen und weiterführende Literatur 48

Lösungen zu den Übungsaufgaben 49

5 Ideale, isotherm betriebene Reaktoren 53

5.1 Der diskontinuierlich betriebene Rührkessel 53

5.2 Der kontinuierlich betriebene Rührkessel 68

5.2.1 Das Anfahrverhalten eines kontinuierlich betriebenen Rührkessels 69

5.3 Das Strömungsrohr 78

5.4 Reaktoren mit Kreislaufführung 89

5.4.1 Der Kreislauf- oder Schlaufenreaktor 89

5.4.2 Reaktor mit Trennstufe und Rückführung 96

5.5 Halbkontinuierlich betriebene Reaktoren 101

5.6 Reaktorkombinationen 109

5.6.1 Die Rührkesselkaskade 110

5.6.2 Reihenschaltung von Rührkessel und Strömungsrohr 119

5.6.3 Reihen- und Parallelschaltung von Strömungsrohren 121

5.7 Leistungsvergleich der Idealreaktoren 122

5.8 Literatur zu Beispielen, Übungen und weiterführende Literatur 130

Lösungen zu den Übungsaufgaben 131

6 Messung und Auswertung kinetischer Daten fur den

Reaktorbetrieb 145

6.1 Rückvermischungseffekt bei einfachen Reaktionen 145

6.2 Reaktordesign für komplexe Reaktionen 153

6.2.1 Parallelreaktionen 154

6.2.2 Folgereaktionen 156

6.2.3 Komplexe Serienreaktionen 159

6.2.4 Vergleichende Betrachtung von komplexen Reaktionen 161

6.3 Laborreaktoren für kinetische Untersuchungen 169

6.4 Analyse kinetischer Daten mittels Regression 182

6.5 Literatur zu Beispielen, Übungen und weiterführende Literatur 193

Lösungen zu den Übungsaufgaben 194

7 Nichtideale Reaktoren und Reaktormodelle 201

7.1 Verweilzeitspektrum 201

7.2 Verweilzeitsummenfunktion und mittlere Verweilzeit 204

7.3 Experimentelle Ermittlung der Verweilzeitkurven 207

7.4 Verweilzeitverteilung und Umsatz in Realreaktoren 209

7.5 Modellbetrachtungen 215

7.5.1 Diffusions- und Kaskadenmodell 216

7.5.2 Zwei-Parameter-Modell: Rührreaktor mit Totzone und Kurzschlussströmung 226

7.5.3 Rührreaktormit Kurzschlussströmung und schlecht durchmischter Zone 230

7.6 Einfluss der Vermischung auf den Umsatz 234

7.6.1 Segregation 234

7.6.2 Zeitpunkt der Vermischung 239

7.7 Der laminar durchströmte Rohrreaktor 241

7.8 Isothermes Strömungsrohr mit axialer Dispersion 244

7.9 Simulation von Realreaktoren 248

7.10 Literatur zu Beispielen, Übungen und weiterführende Literatur 253

Lösungen zu den Übungsaufgaben 254

8 Reaktorauslegung unter Berucksichtigung desWarmetransports 257

8.1 Lenkung des Temperaturverlaufs in Reaktoren 257

8.2 Wärmeumsatz in Reaktoren 259

8.3 Wärmetechnische Auslegung von Chemiereaktoren 262

8.3.1 Der diskontinuierlich betriebene Rührkessel 263

8.3.2 Das ideale Strömungsrohr 274

8.3.3 Der kontinuierlich betriebene Rührkessel 283

8.4 Literatur zu Beispielen, Übungen und weiterführende Literatur 294

Lösungen zu den Übungsaufgaben 295

9 Der Einfluss des Stoffubergangs auf den Reaktorbetrieb 301

9.1 Fluid-Fluid-Reaktionen 301

9.2 Heterogen katalysierte Reaktionen 307

9.2.1 Filmdiffusion und chemische Reaktion 309

9.2.2 Porendiffusion und katalytische Reaktion 311

9.2.3 Stoff- undWärmeübergang in porösen Katalysatoren 316

9.2.4 Berechnung von Katalysereaktoren 330

9.2.5 Katalysatordesaktivierung 341

9.3 Druckverlust in Festbettreaktoren 346

9.4 Reaktionen zwischen Gas, Flüssigkeit und Feststoff 352

9.5 Literatur zu Beispielen, Übungen und weiterführende Literatur 360

Lösungen zu den Übungsaufgaben 362

10 Technische Reaktionsfuhrung 369

10.1 Auswahlkriterien für Chemiereaktoren 369

10.2 Reaktoren für homogene Reaktionen 372

10.3 Reaktoren für heterogene Reaktionen 374

10.3.1 Fluid-Fluid-Reaktionen 374

10.3.2 Fluid-Feststoff-Reaktionen 379

10.3.3 Dreiphasenreaktionen 386

10.3.4 Spezielle Reaktoren 392

10.4 Literatur zu Beispielen, Übungen und weiterführende Literatur 401

Lösungen zu den Übungsaufgaben 402

11 Scale-up von Chemiereaktoren 405

11.1 Problematik derMaßstabsübertragung 405

11.1.1 Selektivitätseinflüsse 408

11.2 Stofftransport bei Mehrphasenprozessen 412

11.3 Vermischung in Reaktoren 414

11.4 Simulation eines Scale-up-Prozesses 419

11.5 Literatur zu Beispielen, Übungen und weiterführende Literatur 425

Anhang A Kurzanleitung fur Polymath 427

Stichwortverzeichnis 431