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17 verfahrenstechnische Berechnungen: Reaktoren, Kinetik, Stoffbilanzen, Wärme, Dampfdruck und Destillation. Mit Formel und Übungsaufgaben.
Reaktionen und Reaktoren
Umsatz, Ausbeute und Selektivität
Ausbeute = Umsatz × Selektivität. Sinkende Selektivität deutet oft auf zu hohe Temperatur oder alternden Katalysator hin.
Verweilzeit und Umsatz: Rührkessel und Strömungsrohr
Reaktion 1. Ordnung, konstante Dichte, isotherm. Bei gleichem Volumen setzt das Strömungsrohr immer mehr um als der Rührkessel.
Reaktorvolumen für einen Zielumsatz
1. Ordnung, isotherm, konstante Dichte. Über 90 % Umsatz wird ein einzelner Rührkessel sehr groß: dann eine Kaskade verwenden.
Arrhenius: Temperatureinfluss auf die Geschwindigkeit
Faustregel: Bei Eₐ ≈ 50 bis 55 kJ/mol verdoppelt sich die Geschwindigkeit etwa alle 10 °C. Vorsicht bei exothermen Reaktionen: Die Wärmefreisetzung folgt derselben Kurve.
Aktivierungsenergie aus zwei Versuchen
k₁ und k₂ in derselben Einheit. Nur zwei Punkte: Für einen belastbaren Wert ln k über 1/T bei mindestens drei Temperaturen auftragen.
Chargenzykluszeit und Produktivität
Nebenzeiten (Befüllen, Entleeren, Reinigen) wiegen oft so viel wie die Reaktion selbst: Dort gewinnt man Kapazität.
Stoffbilanzen und Mischungen
Mischen zweier Ströme
Bilanz über Masse, nicht Volumen: Volumina sind nicht immer additiv. Gilt auch für das Mischen zweier Tanks (kg statt kg/h).
Verdünnen einer starken Säure oder Lauge
Immer Säure ins Wasser, langsam und unter Rühren (starke Verdünnungswärme). In Masse rechnen: Volumina sind nicht additiv.
Verdampfer: abzudampfendes Wasser
Feststoffe verdampfen nicht: Die Bilanz bestimmt das abzudampfende Wasser. Typisch: 0,8 bis 0,9 einstufig, etwa 0,8 × n bei n Stufen.
Prozessgas: Dichte und Betriebsvolumenstrom
Ideales Gas (Z = 1): gut bei niedrigem Druck; über etwa 10 bar mit dem Realgasfaktor Z korrigieren. Luft: M = 28,96; Methan: 16,04; Stickstoff: 28,01.
Wärme und Energie
Reaktionswärme und adiabatische Temperaturerhöhung
ΔTad = Temperaturanstieg bei vollständigem Kühlungsausfall. Für eine Charge kmol und kg der Charge verwenden. Ab etwa 50 K eine Durchgehbetrachtung machen.
Doppelmantelreaktor: Kühlwasser und Fläche
Gut gerührter Reaktor (einheitliche Temperatur). Typisches U bei wassergekühltem Doppelmantel: 300 bis 600 W/m²·K, niedriger bei Belag oder Emaillereaktor.
Aufheizen einer Charge: Energie und Dampf
Nur fühlbare Wärme; Verluste und Behältermasse vernachlässigt (10 bis 20 % zuschlagen). Lv ≈ 2133 kJ/kg bei 3 bar abs, 2015 kJ/kg bei 10 bar abs.
Dampf-Flüssig-Gleichgewicht und Destillation
Dampfdruck (Antoine-Gleichung)
Konstanten in mmHg und °C (übliche verfahrenstechnische Tabellen); nicht außerhalb des angegebenen Bereichs extrapolieren. Wo Psat den Behälterdruck erreicht, siedet die Flüssigkeit.
Relative Flüchtigkeit und K-Werte (Raoult)
Ideales Gemisch (Raoult), brauchbar für ähnliche Stoffe (Benzol-Toluol, Hexan-Heptan). Methanol-Wasser und Ethanol-Wasser sind nicht ideal: reales α weicht ab.
Mindeststufenzahl (Fenske)
Totaler Rücklauf, konstantes α, binäres Gemisch; Nmin enthält den Verdampfer. Im Betrieb braucht man etwa das 2- bis 2,5-Fache von Nmin.
Mindestrücklaufverhältnis (Underwood, binär)
Siedende Flüssigkeit als Zulauf (q = 1), konstantes α, konstante molare Ströme. Üblicher Faktor f: 1,2 bis 1,5.
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