Simulation von Chemiereaktoren Kooperation Markus Birkenmeier Prof. Thomas Röder Hochschule Mannheim Malte Janzing MA09 Luca Heinen HD09

Struktur Aufgabenstellung Chemiereaktoren MatLab Zweck Unterscheidungen Stoff- und Wärmebilanz MatLab typische Anwendungen Vorführung der Simulation Chemiereaktoren

Aufgabenstellung Chemiereaktor im Teilfließbetrieb Z.B. zur Erzeugung eines pharmazeutischen Produkts Simulation in MatLab die Simulation soll als Spiel nutzbar sein der Spieler kann die Dosierrate eines Reaktanden beliebig variieren Ziel ist eine möglichst hohe Produktivität der Reaktion zu erreichen Chemiereaktoren

Aufgabenstellung Annahmen: Reaktor ist ideal durchmischt Rührer bringt keine Energie ein Gleiche Dichte und Wärmekapazität von Kesselinhalt und Zulauf Es ist: B liegt bereits im Reaktor vor A wird hinzugefügt A + B  C + Wärme TWand konstant Es soll: Vmax nicht überschreiten Tmax nicht überschreiten Chemiereaktoren

Chemiereaktoren Zweck Unterscheidungen Stoff- und Wärmebilanz

Zweck In einem Chemiereaktor werden chemische Umsetzungen unter technischen und möglichst optimalen Bedingungen durchgeführt.  Um möglichst optimale Bedingungen zu schaffen, wird die Reaktion im Vorhinein modellhaft simuliert. Mit einem einmal aufgestellten Modell lässt sich der Einfluss verschiedener Reaktionsparameter auf den Gesamtprozess leicht nachvollziehbar simulieren. Chemiereaktoren

Zweck z.B. kostenintensive Medikamentenherstellung keine Testversuche nötig  hohe Kostenersparnis Mit einem einmal aufgestellten Modell lässt sich der Einfluss verschiedener Reaktionsparameter auf den Gesamtprozess leicht nachvollziehbar simulieren. Chemiereaktoren

Unterscheidungen Diskontinuierlicher Betrieb (Satzbetrieb) Halbkontinuierlicher Betrieb (Teilfließbetrieb) Kontinuierlicher Betrieb (Fließbetrieb) Chemiereaktoren

Satzbetrieb Voll-Befüllung Reaktion Entleerung Reinigung Produkt Kühlwand Leitblech Rührer Produkt Chemiereaktoren

Satzbetrieb Chemiereaktoren

Unterscheidungen Diskontinuierlicher Betrieb (Satzbetrieb) Halbkontinuierlicher Betrieb (Teilfließbetrieb) Kontinuierlicher Betrieb (Fließbetrieb) Chemiereaktoren

Teilfließbetrieb Teil-Befüllung Reaktion Entleerung Reinigung Produkt Kühlwand Leitblech Rührer Produkt Chemiereaktoren

Teilfließbetrieb Chemiereaktoren

Unterscheidungen Diskontinuierlicher Betrieb (Satzbetrieb) Halbkontinuierlicher Betrieb (Teilfließbetrieb) Kontinuierlicher Betrieb (Fließbetrieb) Chemiereaktoren

Fließbetrieb ständige Reaktion hohe Produktion seltene Wartung verknüpft oftmals viele Einzelreaktionen Chemiereaktoren

Fließbetrieb Chemiereaktoren

Unterscheidungen Diskontinuierlicher Betrieb (Satzbetrieb) Halbkontinuierlicher Betrieb (Teilfließbetrieb) Kontinuierlicher Betrieb (Fließbetrieb) Chemiereaktoren

Stoffbilanz = Stoffmenge im System pro Zeiteinheit zugeführte Stoffmenge abgeführte Stoffmenge durch chemische Reaktion gebildete oder verbrauchte Stoffmenge - + Voraussetzung für die Ableitung der Auslegungsgleichungen für Chemiereaktoren Materialbilanz kann für jeden Reaktanden aufgestellt werden Die zeitliche Änderung der Stoffmenge ni des Stoffes i wird als Differenzial ausgedrückt Chemiereaktoren

Wärmebilanz durch Reaktion gebildete oder verbrauchte Wärme mit Umgebung ausgetauschte Wärme Wärme im Bilanzraum zugeführte Wärme austretende Wärme = - + + Temperatur hat erheblichen Einfluss auf das Reaktionsverhalten, z.B. Reaktionsgeschwindigkeit Unter Vernachlässigung evtl. eingebrachter mechanischer Energie (z.B. Rührenergie) Die zeitliche Änderung der Wärme im Bilanzraum wird als Differenzial ausgedrückt Chemiereaktoren

Ziel Aufstellen eines Gleichungssystems mit Stoffbilanz Wärmebilanz reaktionskinetischer Gleichung  selten analytisch lösbar! Chemiereaktoren

Umsetzung mit MATrizen-LABoratorium der grundlegende Datentyp ist das Array (oder Matrix) dient primär der numerischen (zahlenmäßigen) Lösung von Problemen stellt Ergebnisse z.B. grafisch dar mit MATrizen-LABoratorium der grundlegende Datentyp ist das Array (oder Matrix) dient primär der numerischen (zahlenmäßigen) Lösung von Problemen stellt Ergebnisse z.B. grafisch dar mit Toolboxen kann MatLab durch anwendungsspezische Lösungsverfahren erweitert werden Chemiereaktoren

MatLab Chemiereaktoren

MatLab Chemiereaktoren

MatLab „MatLab ist eine Hochleistungs-Sprache für technisches Rechnen.“ (Eigenwerbung) Typische Anwendungen technisch-wissenschaftliches Rechnen Entwicklung von Algorithmen Modellierung, Simulation und Prototyping Datenanalyse und Visualisierung Entwicklung von Anwendungen, einschließlich graphischer Benutzer-Oberflächen Chemiereaktoren

Vorführung Chemiereaktoren

Benutzeroberfläche Chemiereaktoren

1. Eingabe eines Werts in das Eingabefeld 2. Bestätigung durch „OK“ Chemiereaktoren

1. Diagramme werden gezeichnet. 2 1. Diagramme werden gezeichnet. 2. Menge des aktuell hergestellten Stoff C berechnet. Chemiereaktoren

1. Weiterer Wert kann in das Eingabefeld eingegeben werden. 2 1. Weiterer Wert kann in das Eingabefeld eingegeben werden. 2. Bestätigung durch „OK“ Chemiereaktoren

Nach zehn Durchläufen wird die Simulation automatisch beendet. Chemiereaktoren

Wird eine zu hohe Feedrate eingegeben… Chemiereaktoren

…und dadurch die Maximaltemperatur überschritten, wird der Spieler nach dem weiteren Vorgehen gefragt. Chemiereaktoren

1. Möglichkeit: Weitermachen Chemiereaktoren

Eine neue Eingabe kann getätigt werden, Chemiereaktoren

Warnung erscheint bei jeder weiteren Eingabe erneut, da der Reaktor bereits defekt ist. Chemiereaktoren

2. Möglichkeit: Neustart Chemiereaktoren

Das Intervall beginnt wieder bei 1 und eine neue Eingabe muss getätigt werden. Chemiereaktoren

3. Möglichkeit: Abbruch Chemiereaktoren

Die Simulation wird beendet. Chemiereaktoren

Betätigen des „Schließen“ Buttons Chemiereaktoren

Das Programm wird beendet. Chemiereaktoren

Josephine und Dr. Hans-Werner Hector Danksagung Josephine und Dr. Hans-Werner Hector Hochschule Mannheim Markus Birkenmeier Prof. Thomas Röder Frau Briese Chemiereaktoren