Wissenstests/Übungen
 |
Chemische Reaktionstechnik
in
Fragen und Antworten |
konzipiert
als Ergänzung zum
online-Kurs |
english version
Einleitung
Die Zielsetzung dieser Frage/Antwort-Seite ist,
für die Leser meines online-Kurses und für Studierende auf dem Gebiet
Chemische Reaktionstechnik einen kleinen Wissens-Test bereitzustellen. Weiteres
Ziel ist es, grundlegende Dinge erforderlichenfalls nochmals zu erklären.
Dies soll mit einer Mischung von Text- und Bildmaterial erreicht werden, das
z.Teil auch auf Ergebnisplots von selbstentwickelten
Echtzeit-Computersimulationen zurückgreift. In der ursprünglichen
englischen Version dieser Seite wurde auch die Möglichkeit geboten, selbst
derartige Simulationen zu entwickeln und durchzuführen. Es wurde dabei die
Software HP-VEE, jetzt Agilent-Vee verwendet. Da mir dies aber doch ein wenig
zu spezialisiert erscheint, habe ich im vorliegenden darauf verzichtet.
Da
das ganze Gebiet der Echtzeitsimulationen andererseits aber sehr interessant
ist, möchte ich interessierten Lesern hierzu ein wenig
Information
geben.
| Ein kleines Überbleibsel aus der
ursprünglichen englischen Version ist auch, daß noch viele Texte und
Abbildungs-Legenden in Englisch geschrieben sind. Ich bitte um Verständnis
für den momentanen 'Kauderwelsch' und auch dafür, daß manche
Links im 'Nirwana' landen. Ich werde dies sukzessive Ändern, nur bei
einzelnen Abbildungen kann es dann trotzdem sein, daß die englische
Version (einfachheitshalber) bestehen bleibt. Das müssten Sie aber als
'moderne heutige' Menschen verkraften können. |
Was gibt's also ?
- Testen Sie Ihre Kenntnisse durch Beantwortung von
Fragen
in medias res: Fragen und Antworten ! (es
sind 'nur' Kenntnisse erforderlich !)
- kurze Erklärung grundlegender Begriffe
gefällig ?
Begriffs-Erkärungen
(alphabetisch mit Direktlinks)
- Übungen: ausgewählte Aufgaben und Probleme
lösen (z.T. unter Verwendung von Ergebnissen von Simulationen mit
HP-VEE)
Übungen (erzeugt mit
HP-VEE)
Verschiedenes:
empfohlene Links
*wichtige Abkürzungen Englisch/Deutsch:
unten (für Gründliche)
Anmerkungen des Autoren (für Neugierige)
Und hier eine Computergrafik einer Anlage
(321.5 k, für an 'Computer-Art' interessierte Personen)
baldmöglichst:
pdf-files: letzte pdf-version
(00.0.00, x.x MB total) zum Download:
Teil1: Gesamtinhalt ohne Abb. zum
Kapitel Wärmebilanz (x.y MB)
Teil2: Bildmaterial zur
Wärmebilanz(x.y MB)
letzte Änderung: xx.yy.07
* Frisch ans Werk!
Wissen Sie........?
-
(X) Allgemeine Fragen zu, Kinetik,
Stoff(strom)bilanz, Verweilzeit (1-24)
-
(X) Fragen zur Wärmebilanz
(25-35)
-
(X) Kurzerläuterungen
(alphabetisch)
-
(X) Übungen: ausgewählte Aufgaben
und Probleme lösen
Start des Fragen-Teils
* Allgemeine Fragen zu, Kinetik,
Stoff(strom)bilanz, Verweilzeit
- Warum sollte man sich mit 'dem Wesen' der Chemischen
Reaktion zualleresrt beschäftigen, bevor man sich mit einer detaillierten
Reaktorauslegung befaßt ? eine- fast philosophisch anmutende -
einleitende Frage !
Die Aspekte
der chemischen Reaktion....
- Was sind die Charakteristika der idealen
Grundreaktortypen ?
die idealen
Grundreaktortypen sind:
- Welche Größe muß für die
Verwirklichung eines bestmöglichen Reaktors in erster Linie optimiert
werden ?
das ist die
'.............'
- wie kann diese Größe optimiert werden?
das hängt ab vom
....
- Können Sie die Behauptung begründen,
daß für eine 'einfache eindeutige' Reaktion eine
höchstmögliche Spezifische Produktleistung durch die Wahl eines
maximalen Umsatzes in einem nicht-rückvermischten Reaktortyp - wie z.B. im
IR oder AIK - erhalten werden kann ?
Es gibt zwei Möglickeiten, das zu
erklären:...
- Ist Ihnen die graphische Darstellung 1/(r(U)) gegen U
bekannt und welche Aspekte kann man mit ihrer Hilfe sehr informativ
veranschaulichen ?
Ausgehend
von der Meassenbilanz eines Reaktors....
- Kann man bei alleiniger Betrachtung der 1/r(U) -
Darstellung herausfinden ob eine umsatzorientierte Strategie nicht mehr
ausreicht und dann eine Konzentrationsführung notwendig wird ?
Ja oder Nein, das ist die Frage
!
- Können Sie Beispiele für Reaktionen nennen,
bei denen keine umsatzorientierte Strategie sondern eine
Konzentrationsführung erforderlich wird ? ? aber ja doch !!! oder
?
- Obwohl bei der Konzentrationsführung die
nicht-rückvermischten Reaktortypen meistens ebenfalls optimal sind, gibt
es Ausnahmefälle. Kennen Sie Beispiele ?Nicht so viele, aber z.B. :..
- Welche Information erhalten wir aus dem
Verweilzeitspektrum?
Wir erhalten
Informationen über die Characteristik und Qualität der
Makrovermischung (engl. contacting pattern)!
- Welche Verweilzeitinformation erhalten Sie bei
Aufgabe eines Dirac-Pulses des Tracers, welche bei einer
Sprungfunktion?
Der Dirac
Puls...
- Welche Nutzen bieten Reaktorschaltungen?
Zwei
Gesichtspunkte:
- Kennen Sie die 'Flächenmethode' zum Ermitteln
des Reaktionsergebnisses aus dem Verweilzeitspektrum des Reaktors und der
Reaktionskinetik ?
'Flächenmethode'
- Können Sie die Verweilzeitfunktion eines
Kontinuirlichen Idealkessels (KIK) aus seiner Stoffstrombilanz
herleiten?
Die Materialbilanz
lautet:..
- Welche Ansätze bestehen ganz grundsätzlich
für den Entwurf eines Reaktors für einfache Reaktionen mit bekannter
Reaktionskinetik ?
Liste der
Möglichkeiten: ..
- *Können Sie
erklären, warum die Austrittskonzentration bei einer Reaktion 2. Ordnung
in jedem beliebigen (realen) Reaktor bei einem segregierten Fluid immer
höher ist als bei einem molekulardispersen Fluid ?
2.Ordnung und Segregation
!!
- Können Sie das Statement erläutern: '
Segregation verhindert Rückvermischung '?
Nein ? ... wäre aber
wichtig!!!
- Könne Sie Licht in die Verwirrung um IR und
Segregation bringen ?
Das
Idealrohr erzeugt aufgrund seiner Eigenschaften sozusagen einen
Segregationseffekt, aber .....
- Wie wichtig ist die ganze
'Mikrovermischungs-Thematik' ?
gerechterweise muß man zugeben.....
- Kommen Sie klar mit den Begriffen Makrovermischung,
Mikrovermischung, Makrofluid, Mikrofluid und Segregation auch hinsichtlich
unterschiedlicher Terminologie bei den 'Leuten vom Fach'?
'Übersicht'
- Was wissen Sie über die Modellvorstellung der
Axialen Dispersion ? Gibt es einen Zusammmenhang zwischen der Bodensteinzahl
und der Zahl der Kessel in einer Kaskade ? 'Axiale Dispersion'
- Wie können Sie qualitativ erklären,
daß der Grad der Rückvermischung in einer Kaskade mit steigender
Kesselzahl sinkt und sich dann die Eigenschften der Kaskade immer mehr denen
eines (idealen) Rohrreakrtors annähern ? Hilfe?
- Für die Modellierung welcher Reaktoren spielt
die Peclet-Zahl (ax und rad) eine Rolle ? - geben Sie ein Beispiel für
eine einfache Anwendung ! 'die
Peclet-Zahl'
- Welchen Laborreaktor würden Sie auswählen
für die Messung der Reaktionskinetik einer 'einfachen' isothermen
homogenen Fluidreaktion A + ... -> Produkte' ?
- a KIK
- a IR
- a AIK
- einen Differential-Kreislaufreaktor
argumentieren Sie für 'Warum und unter
welchen Umständen' !
dazu mein
Vorschlag
- * Einmal ein praktischer
Aspekt aus dem Laborleben. Man kann Reaktionen einteilen in: sehr schnelle
Reaktionen, schnelle Reaktionen und 'normale' Reaktionen. Den meisten Chemikern
sind die Methoden der Physikalischen Chemie zur Messung sehr schneller
Reaktionen bekannt. Ebenso ist ihnen die Messung von 'normalen' Kinetiken in
absatzweisen Laborgeräten geläufig. Aber wie misst man Kinetiken,
deren Halbwertszeiten kürzer sind als die Ansprechzeiten von
Meßorganen, wie z.B. Glaselektroden, Potetiometrische Elektroden usw. ?
Und das ohne gleich bei den ultraschnellen Messmethoden der physikalischen
Chemie zu landen !!! Nehmen Sie zum Beispiel eine organsiche
Säure-Base-Reaktion, die zwar schon etwas langsamer als eine anorganische
Reaktion dieses Typs ist, aber sicher schneller als die Ansprechzeit einer
Glaselektrode. Damit wird ein 'batch reactor' ungeeignet. Wie würden Sie
die Kinetik einer solchen Reaktion messen, wenn der Einsatz einer Glaselektrode
unverzichtbar wäre ?
das
wissen Sie sicher, .... oder ?
* Fragen zum Bereich Wärmebilanz:
- Können Sie eine (einfache, nicht 'exotische'
Terme enthaltende) Wärmebilanz für chemische Reaktoren formulieren ?
Nein ? -
dann...
- In welchen Fällen können in der allgemeinen
Wärmebilanz welche Terme weggelassen werden ? das ist Ihnen bekannt, oder
?
- Was macht die gleichzeitige Lösung von Stoff-
und Wärmebilanz so schwierig ? daß sie........
- Welche grundsätzlichen thermischen
Betriebsweisen gibt es für chemische Reaktoren ?
es gibt 3
Betriebsweisen:...
- Was bedeutet 'adiabatisch' strenggenommen
physikalisch und wie ist der Begriff bei kontinuierlichen Reaktoren zu
verstehen? Erläuterung: ...
- Was ist die adiabatische Temperaturerhöhung
? das
ist...
- Wo geht bei einer exothermen Reaktion die
Reaktionswärme in einem adiabatischen AIK und wo in einem adiabatischen
KIK hin ? Klar ? (warum kommt in Kolloquien dann so selten die richtige
Antwort?) nicht klar -
dann: ..
- Welche Möglichkeit kennen Sie für die
gleichzeitige Lösung und Visualisierung von Stoff- und Wärmebilanz in
adiabatischen Reaktoren ? sozusagen
ein 'alter Bekannter' !!
- Welche alternative Möglichkeit für die
gleichzeitige Lösung von Stoff- und Wärmebilanz in adiabatischen
Reaktoren kennen Sie ? die
stufenweise numerische Lösung:
- *Was wissen Sie
grundsätzlich zur 'Stabilität Thermischer Prozesse' in
Kontinuierlichen Durchflußrührkesseln (KIK) ?
'Stabilitätsdiagramm'
; außerdem gibt es im Falle von KIKs eine spezielle
Möglichkeit der Visualisierung
- Welche Formen von Wärmeerzeugungskurven kennen
Sie ?
die
Grundtypen sind: endotherm, exotherm, reversibel, irreversibel, single step,
multi step,....
Ende des Fragen-Teils
Alphabetische Tabelle mit Begriffs-Erkärungen (mit
Direktlinks zur 'Sache')
hier clicken
Anmerkungen des Autors: Alle VEE
Applikationen sind von mir entwickelt. Es können Fehler vorhanden sein,
bitte teilen Sie mir mit, wenn Sie etwas gefunden haben. Beim Surfen
können Sie sich möglicherweise in den etwas unübersichtlichen
'Tiefen' meines 'Werks' verirren. Ich habe deshalb möglichst häufig
'backlinks' zur Eingangsseite eingerichtet.
Ernst Bratz
Mein Rat in allen Fällen
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*
Links zu Möglichkeiten Themen aus der
Reaktionstechnik simulatorisch zu visualisieren.
Freeware Programm KinDis v1.0 of Dr. G. Rexwinkel (NL), ein Programm zur
Simulation von Reaktionen in einem kontinuierlichen Durchflußreaktor, der
Grad der Makrovermischung (Rückvermischung) kann von KIK bis IR (mit
Pfropfströmung) variiert werden.
http://www.chemspy.com/downloads.html
Virtueller Praktikumskurs für 'Technische Chemie'http://techni.tachemie.uni-leipzig.de/vipratech/index_ge.html
Wichtige Abkürzungen und Bezeichnungen in
Deutsch und Englisch:
STR = stirred tank reactor (Absatzweiser
Rührkessel AIK)
CSTR = continuous stirred tank reactor
(Kontinuierlicher Durchflußrührkessel KIK)
(I)TFR = (ideal) tubular flow reactor ((idealer)
Rohrreaktor IR)
RTD = residence time distribution
(Verweilzeitspektrum)
U = conversion (Umsatz)
r = reaction rate
(Reaktionsgeschwindigkeit)
back-mixed (rückvermischt)
stationary in space and time
(raumzeitstationär)
not stationary in space and time (nicht
raumzeitstationär)
conducting a process by controlling concentration
levels (Konzentrationsführung)
conversion orientated optimization (umsatzorientierte
Optimierung)
conducting a process isothermal, adiabatic,
polytropic (isotherme, adiabatische, polytrope
Reaktionsführung)
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