Chemiereaktoren

Grundlagen, Auslegung und Simulation

Jens Hagen

• Verlag: Wiley-VCH
• Jahr: 2017
• ISBN:
  9783527806621
• Auflage: 2
• Thema: Technology & Engineering
• Thema: Chemical & Biochemical Engineering

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.

Vorwort zur 1. Auflage

Mittelpunkt eines jeden chemischen Prozesses ist der Chemiereaktor, in dem chemische Umsetzungen unter technischen und möglichst optimalen Bedingungen durchgeführt werden. Jeder Chemiker, Chemieingenieur oder Verfahrenstechniker benötigt ein Grundlagenwissen über den Betrieb, die Auslegung und Modellierung von Chemiereaktoren.

Obwohl zahlreiche Lehrbücher über die Chemische Reaktionstechnik erschienen sind, ist es nach wie vor nicht einfach, sich in das fachlich übergreifende und komplexe Gebiet einzuarbeiten. Vor allem das Selbststudium bereitet Schwierigkeiten, da oft hohe mathematische Anforderungen gestellt werden, Übungsaufgaben ohne Lösungen oder Lösungsweg gegeben werden und eingesetzte Rechenprogramme nicht ohne Weiteres nachvollziehbar sind. Dies waren für mich Anlass und zugleich Herausforderung, ein neues Buchprojekt in Angriff zu nehmen.

Das vorliegende Buch baut auf dem seit Jahren eingeführten und in der Lehre bewährten Buch mit dem Titel „Chemische Reaktionstechnik – Eine Einführung mit Übungen“ auf. Eine völlige Neugestaltung unter Einbeziehung der Modellierung und Simulation von Chemiereaktoren mit einem PC-Programm war erforderlich, um eine zeitgemäße Ausbildung der Studierenden in Vorlesungen und Übungen zu ermöglichen.

Das Softwarepaket POLYMATH bietet einen sehr guten Einstieg in die Modellierung und Simulation von Chemiereaktoren. Es besitzt den Vorteil, numerische Problemlösungen mit geringstmöglichem Aufwand zu finden. Die eigenen Erfahrungen mit POLYMATH in Vorlesungen, Praktika, PC-Workshops und Weiterbildungsseminaren waren sehr positiv. Mit einem einmal aufgestellten Modell lässt sich der Einfluss verschiedener Reaktionsparameter auf den Gesamtprozess leicht nachvollziehbar simulieren. Zielgerichtet wird die Modellierung von Problemstellungen geübt, und es werden verständliche Lösungswege aufgezeigt, um Probleme aus der Praxis zu lösen.

Notwendige Voraussetzungen dafür sind Kenntnisse über die Grundlagen der Reaktionstechnik. Diese werden im vorliegenden Buch vermittelt. Alle erforderlichen Auslegungsgleichungen auf Basis der Stoff-, Wärme- und Impulsbilanz unter Berücksichtigung der Stöchiometrie und Kinetik der Reaktionen werden abgeleitet und erläutert. Jedes Kapitel enthält vollständig durchgerechnete Beispiele und Übungsaufgaben, für die Lösungen angegeben sind und der Lösungsweg kommentiert wird. Vorausgesetzt werden nur Grundkenntnisse in Physikalischer Chemie, insbesondere Reaktionskinetik und Mathematik (Lösung von Differenzialgleichungen, Regression).

In dem Buch war eine Auswahl des Stoffes und somit eine gewisse Schwerpunktbildung erforderlich. So kann beispielsweise auf die Auslegung und Modellierung spezieller Reaktoren für Mehrphasenreaktionen nicht eingegangen werden, und auf konstruktive Details von Reaktoren und Reaktoreinbauten musste verzichtet werden.

Das Buch ist sowohl für Neueinsteiger als auch für Fortgeschrittene geeignet. Es kann in Vorlesungen und Übungen für Chemieingenieure, Verfahrenstechniker und Chemiker und auch in Weiterbildungsseminaren eingesetzt werden. Es ist ebenfalls gut für das Selbststudium geeignet und soll Anleitung für Problembeschreibungen und -lösungen mit POLYMATH in der beruflichen Praxis bieten.

Mein Dank gilt allen, die durch Anregungen, Hinweise und Korrekturen sowie Überlassung von Bildmaterial bei der Gestaltung dieses Buches mitgeholfen haben. Besonders danke ich Prof. M. Cutlip (University of Connecticut) für die kontinuierliche Weiterentwicklung des POLYMATH-Programms und seine Hilfestellung bei der Lösung einzelner Probleme. Seine sofortige Zustimmung, dem Leser das POLYMATH-Programm für die Nutzung über das Internet zugänglich zu machen und eine Web-Adresse für die Kommunikation einzurichten, war für das Vorhaben von besonderer Bedeutung.

Der Fachhochschule Mannheim und dem Fachbereich Verfahrens- und Chemietechnik danke ich für die hervorragenden Rahmenbedingungen für zeitgemäße Lehrveranstaltungen, Praktika und PC-Workshops auf dem Gebiet der Chemischen Reaktionstechnik. Gleichzeitig danke ich den Studierenden des Chemieingenieurwesens für die Anregungen und Vorschläge zur Nutzung des POLYMATH-Programms.

Meiner Assistentin, Frau Dipl.-Ing. Doris Henke, danke ich für die Ausarbeitung und Erprobung von Experimenten im Institut für Chemische Verfahrenstechnik, die als Grundlage für Simulationsaufgaben dienten.

Für die Überlassung von aktuellem Bildmaterial zu Chemiereaktoren danke ich den Firmen BASF AG Ludwigshafen und dem Institut Francais du Pétrol (Editions Technip, Paris).

Dem Verlag Wiley-VCH Weinheim danke ich herzlich für die sachkundige und hervorragende Unterstützung bei der Verwirklichung des Buchprojektes in einem äußerst kurzen Zeitraum. Mein Dank gilt Frau Karin Sora und Herrn Rainer Münz für die Bearbeitung im Lektorat, Herrn Peter J. Biel für die mit der Herstellung verbundenen Arbeiten und Herrn Gunther Schulz für die grafische Gestaltung des Einbandes.

Mannheim, April 2004

Jens Hagen

Formelzeichen und Abkürzungen

A	Fläche; Phasengrenzfläche (m^2)
a	spezifische Phasengrenzfläche (m^–1)
a	Aktivität eines Katalysators
AP	Ausbeute
Ar	Archimedes-Zahl
Bo	Bodenstein-Zahl
ci	Konzentration der Komponente i (kmol/m^3)
	Konzentration der Komponente i an der Grenzschicht (kmol/m^3)
ckat	Katalysatorbeladung, Gl. (9.103) (kg/m^3)
cP	spezifische Wärmekapazität (J kg^–1 K^–1)
D	Diffusionskoeffizient (m^2/s)
DAB	binärer Diffusion...

Inhaltsverzeichnis

• Cover
• Inhaltsverzeichnis
• Titel
• Impressum
• Vorwort zur 2. Auflage
• Vorwort zur 1. Auflage
• Formelzeichen und Abkürzungen
• 1 Einführung
• 2 Chemiereaktoren im Überblick
• 3 Physikalisch-chemische Aspekte der Reaktionstechnik
• 4 Grundlagen der Reaktormodellierung und -simulation
• 5 Ideale, isotherm betriebene Reaktoren
• 6 Messung und Auswertung kinetischer Daten für den Reaktorbetrieb
• 7 Nichtideale Reaktoren und Reaktormodelle
• 8 Reaktorauslegung unter Berücksichtigung des Wärmetransports
• 9 Der Einfluss des Stoffübergangs auf den Reaktorbetrieb
• 10 Technische Reaktionsführung
• 11 Scale-up von Chemiereaktoren
• 11.1 Problematik der Maßstabsübertragung
• Anhang A Kurzanleitung für Polymath
• Stichwortverzeichnis
• Endbenutzer-Lizenzvertrag