Chemiereaktoren: Auslegung und Simulation

391 Pages·2004·5.134 MB·English

by  Prof. Dr. Jens Hagen(auth.)

J.Hagen
Chemiereaktoren
Chemiereaktoren AuslegungundSimulation.JensHagen
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ISBN:3-527-30827-X
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Jens Hagen
Chemiereaktoren
Auslegung und Simulation
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Druck betz-druckGmbH,Darmstadt
Bindung Litges&DopfBuchbindereiGmbH,
Heppenheim
ISBN 3-527-30827-X
V
Inhaltsverzeichnis
Vorwort IX
FormelzeichenundAbk(cid:1)rzungen XIII
1 Einf(cid:1)hrung 1
1.1 DieAufgabenderChemischenReaktionstechnik 1
1.2 WirtschaftlicheProzessf(cid:2)hrung 4
2 Chemiereaktorenim(cid:2)berblick 9
2.1 BetriebsweiseundGrundtypenvonChemiereaktoren 9
2.2 Beurteilungsgr(cid:3)ßenf(cid:2)rChemiereaktoren 13
3 Physikalisch-chemischeAspektederReaktionstechnik 19
3.1 UmsatzundSt(cid:3)chiometrie 19
3.2 DaschemischeGleichgewicht 25
3.3 ReaktionskinetischeGleichungen 30
3.4 AufstellenderMaterialbilanz 34
3.5 AufstellenderW(cid:1)rmebilanz 35
4 GrundlagenderReaktormodellierungund-simulation 39
4.1 MathematischeModelle 39
4.2 Simulation 42
5 Ideale,isothermbetriebeneReaktoren 45
5.1 DerdiskontinuierlichbetriebeneR(cid:2)hrkessel 45
5.2 DerkontinuierlichbetriebeneR(cid:2)hrkessel 59
5.3 DasStr(cid:3)mungsrohr 68
5.4 ReaktorenmitKreislauff(cid:2)hrung 79
5.4.1 DerKreislauf-oderSchlaufenreaktor 79
5.4.2 ReaktormitTrennstufeundR(cid:2)ckf(cid:2)hrung 87
5.5 HalbkontinuierlichbetriebeneReaktoren 92
5.6 Reaktorkombinationen 101
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VI Inhaltsverzeichnis
5.6.1 DieR(cid:2)hrkesselkaskade 102
5.6.2 ReihenschaltungvonR(cid:2)hrkesselundStr(cid:3)mungsrohr 113
5.6.3 Reihen-undParallelschaltungvonStr(cid:3)mungsrohren 115
5.7 LeistungsvergleichderIdealreaktoren 116
6 MessungundAuswertungkinetischerDatenf(cid:1)rdenReaktorbetrieb 125
6.1 R(cid:2)ckvermischungseffektbeieinfachenReaktionen 125
6.2 Reaktordesignf(cid:2)rkomplexeReaktionen 134
6.2.1 Parallelreaktionen 134
6.2.2 Folgereaktionen 137
6.2.3 KomplexeSerienreaktionen 140
6.2.4 VergleichendeBetrachtungvonkomplexenReaktionen 145
6.3 Laborreaktorenf(cid:2)rkinetischeUntersuchungen 152
6.4 AnalysekinetischerDatenmittelsRegression 169
7 NichtidealeReaktorenundReaktormodelle 179
7.1 Verweilzeitspektrum 179
7.2 VerweilzeitsummenfunktionundmittlereVerweilzeit 182
7.3 ExperimentelleErmittlungderVerweilzeitkurven 185
7.4 VerweilzeitverteilungundUmsatzinRealreaktoren 187
7.5 Modellbetrachtungen 193
7.5.1 Diffusions-undKaskadenmodell 194
7.5.2 Zwei-Parameter-Modell:R(cid:2)hrreaktormitTotzoneund
Kurzschluss-Str(cid:3)mung 204
7.5.3 R(cid:2)hrreaktormitKurzschluss-Str(cid:3)mungundschlecht
durchmischterZone 208
7.6 EinflussderVermischungaufdenUmsatz 213
7.6.1 Segregation 213
7.6.2 ZeitpunktderVermischung 217
8 ReaktorauslegungunterBer(cid:1)cksichtigungdesW(cid:3)rmetransports 221
8.1 LenkungdesTemperaturverlaufsinReaktoren 221
8.2 W(cid:1)rmeumsatzinReaktoren 223
8.3 W(cid:1)rmetechnischeAuslegungvonChemiereaktoren 227
8.3.1 DerdiskontinuierlichbetriebeneR(cid:2)hrkessel 227
8.3.2 DasidealeStr(cid:3)mungsrohr 236
8.3.3 DerkontinuierlichbetriebeneR(cid:2)hrkessel 244
9 DerEinflussdesStoff(cid:1)bergangsaufdenReaktorbetrieb 253
9.1 Fluid-Fluid-Reaktionen 253
9.2 HeterogenkatalysierteReaktionen 258
9.3 DruckverlustinFestbettreaktoren 275
9.4 ReaktionenzwischenGas,Fl(cid:2)ssigkeitundFeststoff 284
Inhaltsverzeichnis VII
10 TechnischeReaktionsf(cid:1)hrung 293
10.1 Auswahlkriterienf(cid:2)rChemiereaktoren 293
10.2 Reaktorenf(cid:2)rhomogeneReaktionen 296
10.3 Reaktorenf(cid:2)rheterogeneReaktionen 298
10.3.1 Fluid-Fluid-Reaktionen 298
10.3.2 Fluid-Feststoff-Reaktionen 304
10.3.3 Dreiphasen-Reaktionen 309
11 Scale-upvonChemiereaktoren 313
11.1 ProblematikderMaßstabs(cid:2)bertragung 313
11.2 StofftransportbeiMehrphasenprozessen 319
11.3 VermischunginReaktoren 324
12 L(cid:4)sungenzuden(cid:2)bungsaufgaben 337
13 Literaturhinweise 361
Anhang 367
Stichwortverzeichnis 371
IX
Vorwort
Mittelpunkt eines jeden chemischen Prozesses ist der Chemiereaktor, in dem che-
mische Umsetzungen unter technischen und m(cid:5)glichst optimalen Bedingungen
durchgef(cid:2)hrt werden. Jeder Chemiker, Chemieingenieur oder Verfahrenstechniker
ben(cid:5)tigteinGrundlagenwissen(cid:2)berdenBetrieb,dieAuslegungundModellierung
vonChemiereaktoren.
ObwohlzahlreicheLehrb(cid:2)cher(cid:2)berdieChemischeReaktionstechnikerschienen
sind,istesnachwievornichteinfach,sichindasfachlich(cid:2)bergreifendeundkom-
plexe Gebiet einzuarbeiten. Vor allem das Selbststudium bereitet Schwierigkeiten,
daofthohemathematischeAnforderungengestelltwerden,(cid:3)bungsaufgabenohne
L(cid:5)sungen oder L(cid:5)sungsweg gegeben werden und eingesetzte Rechenprogramme
nichtohneweiteresnachvollziehbarsind. Dieswarenf(cid:2)rmichAnlassundzugleich
Herausforderung,einneuesBuchprojektinAngriffzunehmen.
Das vorliegende Buch baut auf dem seit Jahren eingef(cid:2)hrten und in der Lehre
bew(cid:4)hrten Buch mit dem Titel „Chemische Reaktionstechnik – Eine Einf(cid:2)hrung
mit (cid:3)bungen“ auf. Eine v(cid:5)llige Neugestaltung unter Einbeziehung der Modellie-
rungundSimulationvonChemiereaktorenmiteinemPC-Programmwarerforder-
lich,umeinezeitgem(cid:4)ßeAusbildungderStudierendeninVorlesungenund(cid:3)bun-
genzuerm(cid:5)glichen.
DasSoftwarepaketPOLYMATHbieteteinensehrgutenEinstiegindieModellie-
rung und Simulation von Chemiereaktoren. Es besitzt den Vorteil, numerische
Probleml(cid:5)sungen mitgeringst m(cid:5)glichemAufwand zu finden. DieeigenenErfah-
rungen mit POLYMATH in Vorlesungen, Praktika, PC-Workshops und Weiterbil-
dungsseminaren waren sehr positiv. Mit einem einmal aufgestellten Modell l(cid:4)sst
sich der Einfluss verschiedener Reaktionsparameter auf den Gesamtprozess leicht
nachvollziehbar simulieren. Zielgerichtet wird die Modellierung von Problemstel-
lungenge(cid:2)bt,undeswerdenverst(cid:4)ndlicheL(cid:5)sungswegeaufgezeigt,umProbleme
ausderPraxiszul(cid:5)sen.
Notwendige Voraussetzungen daf(cid:2)r sind Kenntnisse (cid:2)ber die Grundlagen der
Reaktionstechnik. Diese werden im vorliegenden Buch vermittelt. Alle erforderli-
chenAuslegungsgleichungenaufBasisderStoff-,W(cid:4)rme-undImpulsbilanzunter
Ber(cid:2)cksichtigung der St(cid:5)chiometrie und Kinetikder Reaktionen werden abgeleitet
und erl(cid:4)utert. Jedes Kapitel enth(cid:4)lt vollst(cid:4)ndig durchgerechnete Beispiele und
(cid:3)bungsaufgaben,f(cid:2)rdieL(cid:5)sungenangegebensindundderL(cid:5)sungswegkommen-
Chemiereaktoren–AuslegungundSimulation.JensHagen
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X Vorwort
tiert wird. Vorausgesetzt werden nur Grundkenntnisse in Physikalischer Chemie,
insbesondere Reaktionskinetik und Mathematik (L(cid:5)sung von Differentialgleichun-
gen,Regression).
IndemBuchwareineAuswahldesStoffesundsomiteinegewisseSchwerpunkt-
bildung erforderlich. So kann beispielsweise auf die Auslegung und Modellierung
speziellerReaktorenf(cid:2)rMehrphasenreaktionennichteingegangenwerden,undauf
konstruktive Details von Reaktoren und Reaktoreinbauten musste verzichtet wer-
den.
DasBuchistsowohlf(cid:2)rNeueinsteiger,alsauchf(cid:2)rFortgeschrittenegeeignet.Es
kann in Vorlesungen und (cid:3)bungen f(cid:2)r Chemieingenieure, Verfahrenstechniker
und Chemiker und auch in Weiterbildungsseminaren eingesetzt werden. Es ist
ebenfalls gut f(cid:2)r das Selbststudium geeignet und soll Anleitung f(cid:2)r Problem-
beschreibungenund-l(cid:5)sungenmitPOLYMATHinderberuflichenPraxisbieten.
Mein Dank gilt allen, die durch Anregungen, Hinweise und Korrekturen sowie
(cid:3)berlassungvonBildmaterialbeiderGestaltungdiesesBuchesmitgeholfenhaben.
BesondersdankeichProf.M.Cutlip(UniversityofConnecticut)f(cid:2)rdiekontinuier-
liche Weiterentwicklung des POLYMATH-Programms und seine Hilfestellung bei
der L(cid:5)sung einzelner Probleme. Seine sofortige Zustimmung, dem Leser das
POLYMATH-Programm f(cid:2)r die Nutzung (cid:2)ber das Internet zug(cid:4)nglich zu machen
undeineWeb-Adressef(cid:2)rdieKommunikationeinzurichten,warf(cid:2)rdasVorhaben
vonbesondererBedeutung.
DerFachhochschuleMannheimunddemFachbereichVerfahrens-undChemie-
technik danke ich f(cid:2)r die hervorragenden Rahmenbedingungen f(cid:2)r zeitgem(cid:4)ße
Lehrveranstaltungen,PraktikaundPC-WorkshopsaufdemGebietderChemischen
Reaktionstechnik. Gleichzeitig danke ich den Studierenden des Chemieingenieur-
wesens f(cid:2)r die Anregungen und Vorschl(cid:4)ge zur Nutzung des POLYMATH-Pro-
gramms.
MeinerAssistentin,FrauDipl.-Ing.DorisHenke,dankeichf(cid:2)rdieAusarbeitung
und Erprobung von Experimenten im Institut f(cid:2)r Chemische Verfahrenstechnik,
diealsGrundlagef(cid:2)rSimulationsaufgabendienten.
F(cid:2)r die (cid:3)berlassung von aktuellem Bildmaterial zu Chemiereaktoren danke ich
denFirmenBASFAGLudwigshafenunddemInstitutFrancaisduP(cid:6)trol (Editions
Technip,Paris).
Dem Verlag Wiley-VCH Weinheim danke ich herzlich f(cid:2)r die sachkundige und
hervorragende Unterst(cid:2)tzung bei der Verwirklichung des Buchprojektes in einem
(cid:4)ußerstkurzenZeitraum.MeinDankgiltFrauKarinSoraundHerrnRainerM(cid:2)nz
f(cid:2)rdieBearbeitungimLektorat,Herrn PeterJ.Bielf(cid:2)rdiemitderHerstellungver-
bundenen Arbeiten und Herrn Gunther Schulz f(cid:2)r die graphische Gestaltung des
Einbandes.
Vorowrt XI
ZumGebrauchvonPOLYMATH
F(cid:2)reinesinnvolleNutzungdesBuchessindeigeneErfahrungenund(cid:3)bungenmit
dem Software-Paket Voraussetzung. Auch wenn die vollst(cid:4)ndigen Programme f(cid:2)r
die meisten Beispiele und (cid:3)bungen im Buch aufgef(cid:2)hrt sind, gen(cid:2)gt nicht das
Nachlesen, sondern die Modellierung und Simulation muss – (cid:4)hnlich wie bei
Rechen(cid:2)bungen–praktischdurchgef(cid:2)hrtwerden.DasProgrammist(cid:4)ußerstleicht
anzuwenden. Alle Optionensindmen(cid:2)gef(cid:2)hrt. Alle Gleichungen(Differentialglei-
chungen oder algebraische Ausdr(cid:2)cke) werden in beliebiger Reihenfolge in der
Standard-Form eingegeben. Es werden keine Computersprache und kein zus(cid:4)tz-
liches Handbuch ben(cid:5)tigt. Im Anhang dieses Buches ist eine Kurzbeschreibung
vonPOLYMATHenthalten.
Dem Leser des Buches wird (cid:2)ber das Internet der eingeschr(cid:4)nkte Zugriff auf
das POLYMATH-Softwarepaket erm(cid:5)glicht. Die Herausgeber M. B. Cutlip und
M. Shacham haben dankenswerterweise die folgende Web-Adresse eingerichtet,
(cid:2)berdiedasPOLYMATH-ProgrammaufdemPCgeladenwerdenkann:
http://www.polymath-software.com/hagen/
Die uneingeschr(cid:4)nkte Nutzung ohne Zeitlimitierung ist dann auf einem einzel-
nenRechnerbiszu30Malm(cid:5)glich,danacherlischtautomatischdieZugriffsm(cid:5)g-
lichkeit.Damitisteingr(cid:2)ndlichesEinarbeiteninPOLYMATHm(cid:5)glich,undesk(cid:5)n-
nen viele Probleme und auch eigene Fragestellungen gel(cid:5)st werden. Das Pro-
grammpaket, welches vor allem in den USA an zahlreichen Universit(cid:4)ten und in
der industriellen Praxis eingef(cid:2)hrt ist, kann danach zu einem Vorzugspreis erwor-
benwerden.Kontaktadresse:http://www.polymath-software.com.
Einzelne,ausgew(cid:4)hlteProgrammbeispieleausdemBuchk(cid:5)nnen(cid:2)berdieange-
gebeneAdressedirektalsPOLYMATH-filegeladenwerden.
Mannheim,April2004 JensHagen