Technische Chemie - TCI @ Uni-Hannover.de

Für das Fach Technische Chemie gibt es folgende Lehrmodule:(Chemie-Studiengänge):Modul CBV-4Vorlesung (Grundlagen der Technischen Chemie)2 stündig freitags 8.00 – 10.00 Sommersemester WHÜbung 1 Std. dienstags 8.00 - 9.00 Sommersemester WH(Vorlesung:(Übung:Diplom:Bachelor:Scheper, Bellgardt, Kasper)Hitzmann)Klausur nötig für Praktikumszulassung und TC-ScheinKlausur nötig für Praktikumszulassung und fürModul CBV-4 gesamtThomas ScheperTCI Institut fürTechnische Chemie

Modul CBVP-9Vorlesung (Grundoperationen) Wintersemester (5. Semester)1 Std. donnerstags 10.00 – 11.00Übung 1 Std. donnerstags 11:00 – 12:00(Vorlesung: Bahnemann, Scheper)Diplom:Bachelor Chemie:Bachelor LS:keine Klausur (aber als Zulassung zum Praktikum)keine Klausur (aber als Zulassung zum Praktikum)KlausurVorlesung (Bioprozesstechnik für Chemiker) Sommersemester (6. Sem.)2 stündig freitags 10.00 – 12.00 (bis Mitte Juni ab SS 2010)1 stündig donnerstags 12.00-13.00 Übung(Vorlesung: Scheper, Hitzmann)Praktikum (Zulassungsvoraussetzung bestandene Klausur aus CBV-4,für Bachelor und Diplom unterschiedlich)Abschluss Modul CBVP-9 (TC II und TC III): KolloquiumThomas ScheperTCI Institut fürTechnische Chemie

Wie erreiche ich die Dozenten?Allgemeine Dinge: Sekretariat (1.Stock) Frau AlicSonst per email: NAME@iftc.uni-hannover.deSkripte:Unter: www.tci.uni-hannover.deweiter zu Studium, SkriptePraktikum:Frau Weiß, erster Stock, Altbau, Callinstr. 5Thomas ScheperTCI Institut fürTechnische Chemie

Prof. BahnemannProf. HitzmannDr. BeutelDr. StahlPD. KasperProf.ScheperProf. BellgardtThomas ScheperTCI Institut fürTechnische Chemie

Inhalte der Vorlesung CBV-4Technische Chemie I- Einführung, Grundlagen- Thermodynamik, Kinetik- Reaktorgrundtypen- Materialbilanzen, Bilanzgleichung für verschiedene ReaktortypenSumme 3 Dopppelstunden (Scheper)- Heterogene Katalyse- Stofftransportvorgänge bei heterogenen Reaktionen (Poren-, Filmdiffusion)Summe 2 Doppelstunden (Kasper)- nicht-katalytische heterogene Gas-Feststoffreaktoren- VWZ, Testsignale- Zellen/Dispersionsmodell- „Spezial“reaktoren (Festbett, Wirbelschicht)- Nicht isotherme ReaktorenSumme 7-8 Doppelstunden (Bellgardt)Letzter Vorlesungstag: Klausur Technische Chemie (Hitzmann),Thomas ScheperTCI Institut fürTechnische Chemie

Technische Chemie“Eine Kernfunktion der Technischen Chemie ist, Grundlagenkenntnissein praktische Anwendungen zu übertragen.”Deutsche Gesellschaft für Chemische Apparatewesen,Chemische Technik und Biotechnologie.Dechema, Lehrprofil Technische ChemieThomas ScheperTCI Institut fürTechnische Chemie

Technische ChemieLehrinhalte:- Chemische Reaktionstechnik (incl Bioprozeßtechnik)z.B. ReaktionsanalyseReaktionsmodellierung,Auslegung von Reaktoren- Grundoperationen (incl. Bioprozeßtechnik)z.B.Stoff- und Wärmetransport,Aufarbeitung/Trenntechnik,Prozessanalytik- Prozesskunde (verteilt auf die Vorlesungen)z.B.Verfahrensbeschreibung,VerfahrensentwicklungThomas ScheperTCI Institut fürTechnische Chemie

MärkteEnergiegesetzlicheRegelungenRohstoffThomas ScheperMärkteTCI Institut fürTechnische Chemie

Kosten [€/Zeit]break evenpointErlösGewinnGesamtkostenΔIvariable KostenFixkosten45Produktion [%]Solange ΔI kleiner als die Fixkosten ist,sollte weiter produziert werden.Thomas ScheperTCI Institut fürTechnische Chemie

Einteilung der TechnikEnergietechnik (Energieumwandlung)Verfahrenstechnik (Stoffumwandlung)Regelungstechnik (Informationsumwandlung)Verfahrenstechnik:physikalische Verfahrenstechniktheoretische VTmechanische VTchemische Verfahrenstechnik ≙ Technische ReaktionsführungThomas ScheperTCI Institut fürTechnische Chemie

Technische Reaktionsführung4 Aufgabenbereiche- Raumabgrenzung für Stoffumwandlung und ausreichendeVerweildauer darum ⇒ chem. Reaktor- Transportieren und Mischen der Reaktionsmasse- Kontrolle des Wärmehaushaltes der Reaktion und derTemperaturerhaltung im Reaktionsraum- Umgehung von Reaktionshemmungen (Katalysatoren)gezielte Umsatzbeeinflussung (Druck, Licht, Zufuhr freier Energie)Thomas ScheperTCI Institut fürTechnische Chemie

GrundbegriffeThomas ScheperTCI Institut fürTechnische Chemie

Konzentration:mMasseic = =i•MiVRnViRMolekülmasseStoffmengeMolenanteil:xi=∑jninjMassenanteil:wi=∑jnimjThomas ScheperTCI Institut fürTechnische Chemie

Hydrodynamische Verweilzeitτhydrodynamisch=V ReaktorV&mit VolumenstromV&Umsatz:=c0U0c−c= 1−f;0≤U≤ 1Thomas ScheperTCI Institut fürTechnische Chemie

Für eine Reaktion der Art A → P gilt:c −pcAusbeute: Y =0cA0pFür eine Reaktion der Art0c −PcPSelektivität: S =0c −cAAA → P+xgilt:Thomas ScheperTCI Institut fürTechnische Chemie

Für eine stöchiometrische Reaktion wie folgt:νA•A→νP• PYc−cc0P P= •AννAPScP0A−c−c0P= •cAννAPallgemein: ν i> 0ν i< 0ν i= 0ProdukteEdukteInertkomponenteBeachte: N 2 + 3H 2 2NH 3ν = −N12ν = −H3ν2= NH2Thomas Scheper3TCI Institut fürTechnische Chemie

Chemische ThermodynamikDie Thermodynamik liefert in der Technischen ChemieInformationen übera) den maximalen Gleichgewichtsumsatz stofflicher Umwandlungb) sie zeigt an, in welche Richtung Reaktionen freiwillig ablaufenc) sie gibt Informationen über Mindestarbeitsbeträge, die nötigsind, um Reaktionen in umgekehrter Richtung ablaufen zu lassenThomas ScheperTCI Institut fürTechnische Chemie

a) Reaktionsenthalpie Δ HRb) Gibbsche freie Standard Bildungsenthalpie0Δ G RThomas ScheperTCI Institut fürTechnische Chemie

direkterZustand 1 Zustand 2WegZustand XZustand YZustand ZZwischenschritteThomas ScheperTCI Institut fürTechnische Chemie

N∑ΔH R= ν ⋅ ΔHi=1ifiΔG= − RTln K0RPThomas ScheperTCI Institut fürTechnische Chemie

d ln KdTP=ΔHRT0R2lnkP1exothermendothermTThomas ScheperTCI Institut fürTechnische Chemie

KinetikThomas ScheperTCI Institut fürTechnische Chemie

R 1 + R 2 → 2R 3r =kc A cFür Bildungsreaktionen A + B → AB ν Br =Für Zerfallsreaktionen AB → A + B ν ABr =Für Austauschreaktionen AB + C → AC + B νCr =kckc AB cFür Umlagerungen ABC → ACB ν ABCkcrν=k(T )⋅cα11cα22cα33( )Mit k = k ⋅ exp − E0RTThomas ScheperTCI Institut fürTechnische Chemie

Beispiel:A⎯ ⎯→kPc AC A0tIntegralmethode:rA=dcdtA= −k⋅ cnAThomas ScheperTCI Institut fürTechnische Chemie

Messwerte auftragen als:( n 1)c A01c−gegen t oder ln A= f () tcA( − )nc A11n=0,5n=3n=2tn variieren, bis Gerade !Steigung ergibt kThomas ScheperTCI Institut fürTechnische Chemie

Was wenn mehrere Komponenten?für− rνAA⋅A= k ⋅c+ νBnA⋅cA n B⋅BB→ νP⋅P−r= k⋅nA c AA+ nB⋅⎛⎜⎝ννBAn⎞⎠BThomas ScheperTCI Institut fürTechnische Chemie

Es gibt noch komplexere Reaktionen:z.BParallelreaktionenFolgereaktionenThomas ScheperTCI Institut fürTechnische Chemie

Parallelreaktionen:D,L - SubstratKatalyse IKatalyse IIL - ProduktD - ProduktThomas ScheperTCI Institut fürTechnische Chemie

ee%100nur Katalyse IKatalyse II spielt Rolle50 100% UmsatzThomas ScheperTCI Institut fürTechnische Chemie

νν1A2 AK1⋅ A + ν ⋅ B ⋅⋅⋅⋅ ⎯⎯→1BK2⋅ A + ν B ⋅⋅⋅⋅ ⎯⎯→2 BProdukteProdukteν3⋅ A + ν3ABBm⋅⋅⋅⋅ ⎯⎯→KProduktebezogen auf A gilt:−rA=−dcdtA=m∑j=1νjA⋅rjAThomas ScheperTCI Institut fürTechnische Chemie

Thomas Scheper1. Ordnung− rA=dc−dtA= − kAIntegralmethode mit1r⋅prSc=Ak 1c 0Alncgegen t liefert Summe der Geschwindigkeitskonstanten.Aus dem Bildungsgeschwindigkeiten für P und S kann dasVerhältnis von k 1zu k 2ermittelt werden.APk 2 S+ k2⋅ cA= ( k1+ k2) ⋅ cA+dcdc=⋅dtdtsp==kk21⋅⋅ccAATCI Institut fürTechnische Chemie

Folgereaktionen:(Pyrolyse: Kohlenwasserstoffe zu Ethylen, Propen und Wasserstoff)APkk12⎯⎯→⎯⎯→SrArp==dc−dtdcdtpA== +k1⋅kc1mA⋅c−mAk2⋅cnprS=dcdts=k2⋅cnPThomas ScheperTCI Institut fürTechnische Chemie

cc SC PC AtThomas ScheperTCI Institut fürTechnische Chemie

Irreversible Reaktion Satzreaktor m = n = 1C A: durch IntegrationcA0 −k1= cA⋅ e⋅ tC p: dcdtp=k1⋅c0A⋅e− k t1−k2⋅cps(t) a(t)ylineare, inhomogene Differentialgleichung, 1. Ordnung,lösen nach y ´ = a(t)y + s(t)(Übung)Thomas ScheperDanach läßt sich S berechnen!TCI Institut fürTechnische Chemie

ReaktorenThomas ScheperTCI Institut fürTechnische Chemie

Chemische ReaktorenChemischer Reaktor: Hier findet die chemische Umsetzungsreaktionstatt (z. B. Kolben, Reagenzglas im Labor)Wie einteilbar?:a) z. B. nach BetriebsbedingungenT-BereichDruckbereichb) z. B. nach ReaktionsphasenEinphasenreaktorenZwei-, MehrphasenreaktorenThomas ScheperTCI Institut fürTechnische Chemie

c) z. B. nach Konstruktion-bsp. Reaktoren für heterogenkat. GasreaktorenWärmetauscherHordeVollraumreaktor-Hordenreaktor-Rohrbündelreaktor-Wanderbett Reaktoren-Radialkonverter-WirbelschichtreaktorThomas ScheperTCI Institut fürTechnische Chemie

Nach Prozessführunga.) diskontinuierlichb.) kontinuierlichc.) halbkontinuierlichThomas ScheperTCI Institut fürTechnische Chemie

Nach Reaktortyp:- Modellierung eines Reaktors allein ist schwierig.Betriebsbedingung und konstruktive Merkmalesind hier äußerst wichtig.Nach Art der Prozessführung:- überschaubar, oftmals das normale Handwerkzeugaus dem LaborThomas ScheperTCI Institut fürTechnische Chemie

ABBABACBCa) b) c) d)Abb.1 :Grundtypen chemischer Reaktoren:a) diskontinuierlicher Rührkessel (Batch-Raktor)b) halbkontinuierlicher betriebener Rührkesselc) Strömungsrohrd) kontinuierlich betriebener RührkesselThomas ScheperTCI Institut fürTechnische Chemie

ReaktionsführungKonzentrationsverlaufzeitlichörtlich1) Diskontinuierlch2) Kontinuierlichb) Idealkessel a) IdealrohrV Rinstationär, homogenZulaufAustragstationär, inhomogenZulaufAustragV Rstationär, homogenc Ac Ac Ac Ac A0ausein00einc Aaus0c Ac Ac Aausaust /2tttaustx= 0x= L/2x= Lc A0c Aaus0einc Ac Ac A0einc Aaus0c Ac Ac AausL/2xxxt= 0aust= t /2aust= tLThomas ScheperTCI Institut fürTechnische Chemie

zu a.) instationärer Betriebgut: → billig, wenig Regelaufwand→ flexibel (für verschiedene Prozesse einsetzbar)→ hohe Umsätze bei definierter Reaktionszeitschlecht - Totzeiten- hohe Lohnkosten, da viel Personal nötigwann nötig:- geringe Mengen: (z. B. Spezialitäten)- oft wechselnde Produkte- Schwierigkeiten beim KontibetriebThomas ScheperTCI Institut fürTechnische Chemie

zu b.)zu c,d.)Mischung aus beidenstationärer, kontinuierlicher Betriebgut: → automatisierbar→ geringe Lohnkosten→ kleinere Reaktorvolumina,da Totzeiten entfallen→ gleich bleibende Produktqualitätschlecht- wenig flexibel- Rohstoffe müssen stets gleiche Qualität haben- hohe InvestitionskostenThomas ScheperTCI Institut fürTechnische Chemie

MassenbilanzFolgende Größen führen zu einer Änderung der Stoffkonzentrationin einem Volumenelement (Bilanzraum):reinrausBilanzraumÄnderungWir betrachten:- Konvektion- Konduktion (Dispersion)- Reaktion(- Stoffübergang)Thomas ScheperTCI Institut fürTechnische Chemie

yΔx.n i,z(0)Δy.n + zi,z,(0)ΔyzxzΔzz + zΔKonvektion&rein bei z(0): n c ⋅V= ( c ⋅u) ⋅Δx⋅y&= &i, z(0) ii zΔz(0)raus bei z(0)+Δz: n ( c ⋅u) ⋅ΔxΔyi, z(0) + Δz=i z⋅z(0) + ΔzTaylorreihenentwicklung bis zum 2. linearen Glied, um n& , an dem Punkt z(0) + Δz angebenzu können.Taylorreihe allgemein: z = f(x) um Punkt a entwickelnx −af(x) = f (a) + f ′(a)⋅ + f ′′(a)⋅1!( x −a)2!2+ ...Thomas ScheperTCI Institut fürTechnische Chemie

Konvektion:∂ci∂t=⎛ ∂−⎜⎝( c u ) ∂( c u ) ∂( c u ) ⎞ ⎟⎠i∂xx+i∂yy+i∂zzThomas ScheperTCI Institut fürTechnische Chemie

DispersionAuch: turbulente oder konvektive DiffusionUrsachen sind durch Strömung bedingt:Rohr (leer) Schüttschichten MehrphasensystemeStrömunsprofil Randrauhigkeit UnteschiedlicheGeschwindigkeitenDichteunterschiede Vernetzungseffekte HaftwirkungToträumeToträumeMischzellenVerwirbelungHaftwirkungBlasensäule: Flüssigkeit haftet an GasblasenThomas ScheperTCI Institut fürTechnische Chemie

Diffusion nicht rein stochastisch, dennoch wie Diffusion:r niJ& =A= −Di∂c⋅∂zmolekulare konvekt. DispersionDiffusionUrsache Entropiemaximierung “Strömungsbedingungen“Transportmechanismus Molekularbewegung Mikro- MakroturbulenzenWirkung molekülspezifisch nicht molekülspezifischGrößenordnung derEinzelschrittemittlere freieWeglängecharakteristischeApparatedimension (z.B.Rohrdurchmesser,Partikeldurchmesser)Thomas ScheperTCI Institut fürTechnische Chemie

Für Konduktionsterm (Dispersionsterm)Dispersion wird als Konduktionsterm wie ein molekularer Transportterm betrachtet (ähnl.Diffusion)r n cJ& i∂= = − Di⋅ 1. Ficksches GesetzA ∂zReaktionen∂ci∂t=∑iνi j⋅rj=∑r = rStoffübergang:∂c∂ti=β⋅AV⋅ Δcimit A: spez. AustauschflächeΔc i : Triebkraftβ: PhasenübergangskoeffizientThomas ScheperTCI Institut fürTechnische Chemie

⎡differentielle⎤⎢Konzentrations -⎥⎢⎥⎢⎣änderung ⎥⎦=⎡erzwungene⎤⎢+Konvektion⎥⎣⎦⎡effektive⎤⎢Diffusion⎥⎣ ⎦+[ Reaktion]Mathematisch läßt sich diese Beziehung als Bilanzgleichung formulieren:∂cr r= - div (u c ) - div (j ) + rii ∑υiij∂toder∂c∂tr= - div (u ci)+ div (Digrad ci)+ rThomas ScheperTCI Institut fürTechnische Chemie

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SatzreaktorBatch ReactorAbhängigkeit von der Zeit (t)CAbhängigkeit vom Ort (z)CtzThomas ScheperTCI Institut fürTechnische Chemie

Die Bilanzgleichung lautet:dc= - 0 + 0 + r = rdtangewandt auf die einfache Reaktion A → B (Reaktion 1. Ordnung) ergibt sich mit0−cadUdcadt=−kc0= −k c a(1- U)adt1ln( 1 −U)= k t t = 1 k ln 11 −UThomas ScheperTCI Institut fürTechnische Chemie

z’StrömungsrohrPFRPlug Flow ReactorAbhängigkeit von der Zeit (t)CAbhängigkeit vom Ort (z)Cz’tzThomas ScheperTCI Institut fürTechnische Chemie

du ( c− i)+dxr= 0u dc i =dxrdUdV = −c i0rV&Durch Integration erhält man:c0iV&U∫ dU =−∫ dVr0V0= Vτ = c0iUdU∫ − r0Thomas ScheperTCI Institut fürTechnische Chemie

Durchflussrührkessel CSTRContinuous Stirred Tank ReactorAbhängigkeit von der Zeit (t)CAbhängigkeit vom Ort (z)Cτ 1τ 1tZThomas ScheperTCI Institut fürTechnische Chemie

dcdtdcdt=−r− div ⋅c⋅ u + rrr = − div c ⋅ uIntegration über Volumen der Reaktionsmasse∫V⎛⎜⎝dcdt−r⎞⎟⎠⋅dV=−∫Vdivc⋅ru⋅dVThomas ScheperTCI Institut fürTechnische Chemie

Nach dem Gaußschen Satz gilt:Wenn ein Vektorfeld in einem Volumen definiert ist, dann ist dasIntegral der Divergenz des Vektorfeldes gleich dem Fluss desVektorfeldes durch die das Volumen begrenzende Fläche.dFr ist die Normale auf der Fläche durch die das Vektorfelddurch die Oberfläche des Volumens geht.dFIm Prinzip eine Integration über die Gesamtfläche.Man betrachtet was rein und rausgeht.Thomas ScheperTCI Institut fürTechnische Chemie

⎛⎜⎝dcdt−r⎞⎟⎠⋅V=−∫Fc⋅u⋅rdF=−∫Fc⋅u⋅re⋅dF==FoV( u ⋅ c − u ⋅ )einc aus( c − c )einausdcdt=Damit ergibt sich:1cein − caus+ r = O stationärτ( ) ( )Thomas ScheperTCI Institut fürTechnische Chemie

dcdt= τ1( c − c ) + r Oein aus=im stationären Fallτ r = −Uc einmit U c 0− c ( c −ein caus)=0 =c ceinU = − τ rc einThomas ScheperTCI Institut fürTechnische Chemie