Inhalt der Vorlesung „Grundlagen der Technischen Chemie“ · PDF filer = k(T) f(c...

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11 Inhalt der Vorlesung „Grundlagen der Technischen Chemie“ Unterschied Labor - Technik a) größerer Maßstab b) Wirtschaftlichkeit Geschichte der industriellen Chemie Rohstoff und Energiesituation Grundbegriffe (Umsatz, Selektivität, Ausbeute) Produkte der chemischen Industrie Grundlagen Reaktionskinetik (homogen) Stofftransport Wärmetransport Thermodynamik a) Reaktionsenthalpie, chemisches Gleichgewicht b) Phasengleichgewicht c) Stoffdaten Thermische Trennverfahren Rektifikation, Extraktion, Absorption, Kristallisation, Adsorption, Membrantrennverfahren Aufstellung und Lösung von Bilanzgleichungen a) Reaktionstechnik (CSTR, PFR) b) Grundoperationen (z.B. Rektifikation) Herstellung der Grundchemikalien Erdöldestillation, Chemische Raffinerie Steamcracker (C4- und Aromatenaufarbeitung) Steamreforming Produktstammbäume Ausgewählte Chemische Prozesse Vinylchlorid Ethylenoxid Kostenrechnung
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    06-Feb-2018
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  • 11

    Inhalt der Vorlesung Grundlagen der Technischen Chemie

    Unterschied Labor - Technika) grerer Mastab b) Wirtschaftlichkeit

    Geschichte der industriellen Chemie

    Rohstoff und Energiesituation

    Grundbegriffe (Umsatz, Selektivitt,Ausbeute)

    Produkte der chemischen Industrie

    Grundlagen

    Reaktionskinetik (homogen)StofftransportWrmetransportThermodynamika) Reaktionsenthalpie, chemisches

    Gleichgewichtb) Phasengleichgewichtc) Stoffdaten

    Thermische Trennverfahren

    Rektifikation, Extraktion, Absorption, Kristallisation, Adsorption, Membrantrennverfahren

    Aufstellung und Lsung von Bilanzgleichungena) Reaktionstechnik (CSTR, PFR)b) Grundoperationen (z.B. Rektifikation)

    Herstellung der GrundchemikalienErdldestillation, Chemische RaffinerieSteamcracker (C4- und Aromatenaufarbeitung)SteamreformingProduktstammbume

    Ausgewhlte Chemische ProzesseVinylchloridEthylenoxid

    Kostenrechnung

  • 12

    Anlsched.cdr

    Schema einer typischen Produktionsanlage in der Chemischen Industrie

    Welcher Umsatzsinnvoll?

    Vorbereitung Reaktion Aufarbeitung

    EdukteA + B

    ProdukteC + D

    Inerten-AusschleusungRckfhrung von A und B

    evtl. auftretendeNebenprodukte E + F

    A + B C + D

    Welche Selektivitt wird

    erreicht?

  • 13

    Grundbegriffe*

    i = Produktj = Edukt z.B. Schlsselkomponentek = Schlsselkomponente

    Umsatz:

    Ausbeute:

    Selektivitt:

    * Annahme: kontinuierlicher Betrieb

    jo

    jjoj n

    nnX

    =

    i

    k

    ko

    ioiik n

    nnY

    =

    i

    k

    kko

    ioi

    k

    ikik nn

    nnXY

    S

    ==

  • 14

    Berechnung von Umsatz, Ausbeute und Selektivitt

    1.2 /

    1.0 /

    0.0 /

    0.0 /

    o

    A

    o

    B

    o

    C

    o

    D

    n kmol h

    n kmol h

    n kmol h

    n kmol h

    =

    =

    =

    =

    A + B 2 C

    A + B D

    Reaktor

    0.3 /

    0.1 /

    1.2 /

    0.3 /

    o

    A

    o

    B

    o

    C

    o

    D

    n kmol h

    n kmol h

    n kmol h

    n kmol h

    =

    =

    =

    =

  • 15

    Klausuraufgabe 2008

    Bei der kontinuierlichen Chlorierung von Benzol mit Chlorgas verlassen pro Zeiteinheit 4 kmol chlorierte Produkte, 6 kmol unreagiertes Benzol

    sowie 5 kmol Chlorwasserstoffgas den Reaktor. Berechnen Sie:

    1. den Umsatz an Benzol 2. die Ausbeuten in Bezug auf eingesetztes Benzol3. die Selektivitten in Bezug auf eingesetztes Benzol

    Gehen Sie davon aus, dass neben Mono- und Dichlorbenzol keine hher chlorierten Aromaten gebildet werden.

  • 16

    Chlorierung von Benzol

    Annahme:

    Reaktion 1.Ordnung

    tkAoA ecc 1

    =

    ( )

    = tktkAoB eekk

    kcc 21

    12

    1

    BAAoC cccc =

    hR = -126 kJ/mol

    bei 40 50 C k1/k2 = 10 bei der Chlorierungsreaktion

    bei hheren Temperaturen sinkt das Verhltnis von k1/k2,

    d.h. Folgereaktion wird relativ etwas schneller

    Frage: Kann die Temperatur im technischen Reaktor zwischen 40-50C gehalten werden?

  • 17

    Vergleich des Oberflchen/Volumen-Verhltnissesvon Labor- und technischem Reaktor

    Reaktionswrme:

    Wrmeabfuhr:

    a) 1 dm3 Rundkolben ( vereinfacht Kugel ) b) Technischer Reaktor, Zylinderform, VR = 10 m3

    S h r,m A,m2 A/V, m2 /m3

    1 2r 1.17 21.4 2.142 4r 0.927 24.3 2.433 6r 0.810 26.8 2.68

    S = Schlankheitsgrad = h/d = h/2r

    R R R i RQ V h r d.h.prop.V

    =

    ( )A w kQ k A T T d.h.prop.A

    =

    3 3 34V 10 m r r 0.06204 m3

    = = =

    22

    3

    A 3 mA 4 r 48.4

    V r m= = =

    Extremfall: adiabate Reaktion fhrt vereinfacht gerechnet ( keine latente Wrme

    bercksichtigt ) zu einer Temperaturerhhung von ca. 425 C

    (hR = 850 kJ/kg, cP = 2 kJ/kg)

    A = r2 + 2 r hV = r2 hS = 1 h = 2 rV = 2 r3 A = 5 r2

    fr V = 10 m3

    r = 1.17 m A = 21.4 m2

  • 18

    Khlung

    Chlor teuer!

  • 19

    Konzentrationsverlauf und Selektivitt von Folgereaktionen

    CBA k1 k2

    Fragestellung: bis zu welchem Umsatz Selektivitt von 0.9 zu erreichen?

    Chlorierung von Benzol ( 40 50 C ): k1 = 10 k2

    Oxychlorierung von Benzol: k1 = k2

    )tkexp(cc AaA 1=

    Annahme: Reaktion 1. Ordnung

    = ))tkexp()tk(exp(

    kkk

    cc AaB 2112

    1BAAaC cccc =

    Benzolchlorierung:

  • 20

    Konzentrationsverlauf, Selektivitts/Umsatz-Diagramm einer Folgereaktion A B C

    00.10.20.30.40.50.60.70.80.9

    1

    0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

    Umsatz

    Sel

    ektiv

    itt

    00.10.20.30.40.50.60.70.80.9

    1

    0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

    Umsatz

    Sel

    ektiv

    itt

    0.0

    0.1

    0.2

    0.3

    0.4

    0.50.6

    0.7

    0.8

    0.9

    1.0

    0.0 2.0 4.0 6.0 8.0

    Zeit t

    Ko

    nze

    ntr

    atio

    n c

    cAcBcC

    0.0

    0.1

    0.2

    0.3

    0.4

    0.50.6

    0.7

    0.8

    0.9

    1.0

    0.0 2.0 4.0 6.0 8.0

    Zeit t

    Ko

    nze

    ntr

    atio

    n c

    cAcBcC

    k1 = 10 k2

    k1 = k2

  • 21

    Auswahl von Reaktoren fr homogene und heterogene Reaktionen

    Homogene Reaktionen:

    Heterogene Reaktionen:

    Methanchlorierungim RhrkesselreaktorVeresterungen im Rohrreaktor

    Veresterungen imSuspensionsreaktor

    Chlorierungvon Benzol

    in der Blasensule

    KatalytischesCracken im

    Wirbelbettreaktor

    Katalysator(fest)

    Katalysator(fest)

    katalyse.cdr, 30.10.01

    Reaktionsgemisch(Eintritt)

    Wrme-trger

    Heterogen katalysierteGasreaktionen

    Rohrbndelreaktor

    GoderL

    GoderL

    GoderL

    GoderL

    L

    L

    L

    L

    G

    G

    G

    G

  • 22

    Inhalt der Vorlesung Grundlagen der Technischen Chemie

    Unterschied Labor - Technika) grerer Mastab b) Wirtschaftlichkeit

    Geschichte der industriellen Chemie

    Rohstoff und Energiesituation

    Grundbegriffe (Umsatz, Selektivitt,Ausbeute)

    Produkte der chemischen Industrie

    Grundlagen

    Reaktionskinetik (homogen)StofftransportWrmetransportThermodynamika) Reaktionsenthalpie, chemisches

    Gleichgewichtb) Phasengleichgewichtc) Stoffdaten

    Thermische Trennverfahren

    Rektifikation, Extraktion, Absorption, Kristallisation, Adsorption, Membrantrennverfahren

    Aufstellung und Lsung von Bilanzgleichungena) Reaktionstechnik (CSTR, PFR)b) Grundoperationen (z.B. Rektifikation)

    Herstellung der GrundchemikalienErdldestillation, Chemische RaffinerieSteamcracker (C4- und Aromatenaufarbeitung)SteamreformingProduktstammbume

    Ausgewhlte Chemische ProzesseVinylchloridEthylenoxid

    Kostenrechnung

  • 23

    Kinetik

    zu unterscheiden:

    Mikrokinetik, d.h. zeitlicher Ablauf der chemischen Reaktion, ohne Bercksichtigung des Einflusses von Transportprozessen ( Wrme- und Stofftransport )

    Makrokinetik, d.h. Beschreibung der Geschwindigkeit der chemischen Reaktion unter Bercksichtigung der berlagerten Transportprozesse.

    Katalysator

    dtdn

    mrbzw

    dtdn

    Vr i

    Kat

    ii

    R

    i

    .

    1.

    1==

    dtdn

    Vr i

    Ri

    11

    = dt

    dnm

    r iKati .

    11

    =

    Reaktionsgeschwindigkeit [kmol/m3 h] bzw. [kmol/kg h]:

    rr ii = rr ii =

    quivalentreaktionsgeschwindigkeit:

  • 24

    Messungen zur Kinetik in der Rhrzelle

    HOAc MeOH MeOAc H2Ok1

    k-1++

    0.1

    0.15

    0.2

    0.25

    0.3

    0.35

    0.4

    0 2000 4000 6000 8000 10000

    Zeit [s]

    Mo

    len

    bru

    ch E

    ssig

    su

    re

    304.2 K313.5 K323.1 K332.2 K

    Isotherme Messungen

    sinnvoll !

    t cA cB cC cDxx xx xx xx xx.....

    xx xx xx xx xx.. ...

    Gleichgewicht

  • 25

    Differentialkreislaufreaktoren

    diffreak.cdr, 02.11.99

    A + B C + D

    c , c , ...A0 B0

    c , c , ...A0 B0

    dX , dX , ...A B

    dX , dX , ...A B

    V0

    V0

    mKat

    mKatr c c c ci A B C D

    fr T = konstant:

    . . . . .

    . . . . .

    . . . . .

    . . . . .

    . . . . .

    a) uerer Kreislauf:

    b) innerer Kreislauf:

    cA= cAo + cA

    cB= cBo + cA

    cC= cCo + cA

    cD= cDo + cA

    ( )o o oi i ii i i

    o ii i

    c c dcdc c dX

    dt dt dtdcc c 2

    + = =

    = +

    dci/dt

  • 26

    Auswertung kinetischer Daten, d.h. Bestimmung der Ordnungen und der Geschwindigkeitskostante

    Mikrokinetikr = f(T) f(ci)

    r = k(T) f(ci)

    Fr die Konzentrationsabhngigkeit wurde empirisch ber die Stotheorie gefunden:

    f(ci) = cii z.B. cAa cBb

    a, b Teilordnungen

    m = a + b Gesamtordnung

    k(T) Geschwindigkeitskonstante

    Zur Beschreibung der Reaktionskinetik erforderlich: a, b, k(T).

    3 unterschiedliche Wege zur Ermittlung dieser Gren:

    Integralmethode, Differenzialmethode, numerische Verfahren

  • 27

    Integralmethode

    A + B C

    )(cfk(T)dt

    dn

    V

    11r

    i

    A

    R

    ==A

    fr VR = konstant:

    )(cfk(T)dt

    dcr

    i

    A ==

    f(ci)

    ( )

    A

    Ao

    c

    c i

    A

    cf

    dc

    cA

    A

    Ao

    c

    cln

    cA2

    AoA c

    1

    c

    1

    cAcB

    ABo

    AoB

    AoBo cc

    ccln

    cc

    1

    ......