Chemiereaktoren

Grundlagen, Auslegung und Simulation
2. vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage 2017
ISBN: 978-3-527-34238-9
Verlag: Wiley-VCH GmbH

Buch, Deutsch, 464 Seiten, Format (B × H): 176 mm x 249 mm, Gewicht: 1008 g

Kenntnisse der Auslegung und Simulation von Chemiereaktoren sind die Voraussetzung für den optimalen technischen und wirtschaftlichen Betrieb von chemischen Prozessen. In der neuen Auflage von "Chemiereaktoren" gibt Jens Hagen einen bewährten und verständlichen Einstieg in das komplexe Thema und vermittelt die Grundlagen der Reaktionstechnik. Alle erforderlichen Auslegungsgleichungen auf Basis der Stoff-, Wärme- und Impulsbilanz unter Berücksichtigung von Stöchiometrie und Kinetik der Reaktionen werden abgeleitet und erläutert. Jedes Kapitel enthält vollständig durchgerechnete Beispiele und Übungsaufgaben mit kommentierten Lösungen. Um einen Einstieg in die Modellierung und Simulation von Chemiereaktoren zu geben, nutzt Jens Hagen das Softwarepaket POLYMATH, das das Finden von numerischen Problemlösungen leicht nachvollziehbar und mit geringem Aufwand erlaubt. Zielgerichtet wird die Modellierung von Problemstellungen geübt und es werden verständliche Lösungswege aufgezeigt, um Probleme aus der Praxis zu lösen. In der zweiten Auflage wurde das Buch um die Lösung von Differenzialgleichungen zweiter Ordnung und von partiellen Differenzialgleichungen erweitert, um komplexere Fragestellungen des Stoff- und Wärmeaustauschs lösen zu können. Zusätzlich wurden viele neue Beispiele und Simulationen aufgenommen, die reale Probleme in der Reaktionstechnik widerspiegeln und eine Übertragung der Beispiele in die Praxis erleichtern.

Autoren/Hrsg.

Hagen, Jens

Fachgebiete

• Naturwissenschaften Chemie Physikalische Chemie
• Technische Wissenschaften Verfahrenstechnik | Chemieingenieurwesen | Biotechnologie Chemische Anlagen
• Technische Wissenschaften Verfahrenstechnik | Chemieingenieurwesen | Biotechnologie Verfahrenstechnik, Chemieingenieurwesen
• Technische Wissenschaften Verfahrenstechnik | Chemieingenieurwesen | Biotechnologie Chemische Reaktionstechnik (incl. Katalyse, Elektrolyse)

Inhaltsverzeichnis

Vorwort
Formelzeichen und Abkürzungen

EINFÜHRUNG
Die Aufgaben der Chemischen Reaktionstechnik
Wirtschaftliche Prozessführung

CHEMIEREAKTOREN IM ÜBERBLICK
Betriebsweise und Grundtypen von Chemiereaktoren
Beurteilungsgrößen für Chemiereaktoren

PHYSIKALISCH-CHEMISCHE ASPEKTE DER REAKTIONSTECHNIK
Umsatz und Stöchiometrie
Reaktionskinetische Gleichungen
Aufstellen der Stoffbilanz
Aufstellen der Wärmebilanz

GRUNDLAGEN DER REAKTORMODELLIERUNG UND -SIMULATION
Mathematische Modelle
Simulation
Lösung von Differenzialgleichungen zweiter Ordnung
Lösung von partiellen Differenzialgleichungen

IDEALE, ISOTHERM BETRIEBENE REAKTOREN
Der diskontinuierlich betriebene Rührkessel
Der kontinuierlich betriebene Rührkessel
Das Strömungsrohr
Der laminar durchströmte Rohrreaktor
Reaktoren mit Kreislaufführung
Halbkontinuierlich betriebene Reaktoren
Reaktorkombinationen
Leistungsvergleich der Idealreaktoren

MESSUNG UND AUSWERTUNG KINETISCHER DATEN FÜR DEN REAKTORBETRIEB
Rückvermischungseffekt bei einfachen Reaktionen
Reaktordesign für komplexe Reaktionen
Laborreaktoren für kinetische Untersuchungen
Analyse kinetischer Daten mittels Regression

NICHTIDEALE REAKTOREN UND REAKTORMODELLE
Verweilzeitspektrum
Verweilzeitsummenfunktion und mittlere Verweilzeit
Experimentelle Ermittlung der Verweilzeitkurven
Verweilzeitverteilung und Umsatz in Realreaktoren
Modellierung und Simulation von Realreaktoren
Modellbetrachtungen
Einfluss der Vermischung auf den Umsatz

REAKTORAUSLEGUNG UNTER BERÜCKSICHTIGUNG DES WÄRMETRANSPORTS
Lenkung des Temperaturverlaufs in Reaktoren
Wärmeumsatz in Reaktoren
Wärmetechnische Auslegung von Chemiereaktoren
Reaktorvergleich für nichtisotherme Reaktionen

DER EINFLUSS DES STOFFÜBERGANGS AUF DEN REAKTORBETRIEB
Fluid-Fluid-Reaktionen
Heterogen katalysierte Reaktionen
Druckverlust in Festbettreaktoren
Reaktionen zwischen Gas, Flüssigkeit und Feststoff
Modellierung und Simulation eines Rieselbettreaktors

TECHNISCHE REAKTIONSFÜHRUNG
Auswahlkriterien für Chemiereaktoren
Reaktoren für homogene Reaktionen
Reaktoren für heterogene Reaktionen
Spezielle Reaktoren: Membranreaktoren, mikrostrukturierte Reaktoren, Monolith-Reaktoren

SCALE-UP VON CHEMIEREAKTOREN
Problematik der Maßstabsübertragung
Stofftransport bei Mehrphasenprozessen
Vermischung in Reaktoren
Scale-up eines Technikumsreaktors

Anhang: Kurzanleitung für POLYMATH

Stichwortverzeichnis

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

Über Autor(innen)

Jens Hagen führt Weiterbildungsseminare für die berufliche Praxis im Bereich der technischen Chemie und Katalyse durch. Er schloss sein Erststudium als Chemieingenieur in Essen ab und studierte im Anschluss an der RWTH Aachen Chemie. Dort promovierte er 1975 auf dem Gebiet der Katalyse und Hochdrucksynthese. Nach einer Industrietätigkeit bei Henkel KGaA in Düsseldorf wurde er 1979 als Professor für das Lehrgebiet Technische Chemie an die Hochschule Mannheim berufen, an der er bis zu seiner Pensionierung tätig war und im Bereich der chemischen Reaktionstechnik und technischen Katalyse lehrte und forschte. Zusätzlich leitete Jens Hagen das Steinbeis-Transferzentrum Verfahrenstechnik, Bio- und Umwelttechnik.