Simulation von Chemiereaktoren Kooperation: Markus Birkenmeier Hochschule Mannheim Hectorianer: Malte Janzing MA09 Luca Heinen HD09

Struktur Chemiereaktoren MatLab Aufgabe Zweck Unterscheidungen Material- und Wärmebilanz MatLab Verwendungszwecke Funktionsweise Aufgabe Aufgabenstellung Aktueller Stand 03/2015

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. 26. März 2015 Chemiereaktoren

Unterscheidungen Diskontinuierlicher Betrieb (Satzbetrieb) Kontinuierlicher Betrieb (Fließbetrieb) Halbkontinuierlicher Betrieb (Teilfließbetrieb) 26. März 2015 Chemiereaktoren

Materialbilanz Speicherung der Stoffmenge im System pro Zeiteinheit (Akkumulation) durch Strömung zugeführter Stoffmengenstrom durch Strömung abgeführter Stoffmengenstrom durch chemische Reaktion gebildeter oder verbrauchter Stoffmengenstrom - + = 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 26. März 2015 Chemiereaktoren

Wärmebilanz Zeitliche Änderung der Wärme im Bilanzraum durch Konvektion zugeführter Wärmestrom durch Konvektion austretender Wärmestrom durch Reaktion gebildete oder verbrauchte Wärmemenge - + = ausgetauschte Wärmemenge pro Zeiteinheit Wärme/ Temperatur hat erheblichen Einfluss auf das Reaktionsverhalten. Unter Vernachlässigung evtl. eingebrachter Energie (z.B. Rührenergie) Die zeitliche Änderung der Wärme im Bilanzraum wird als Differenzial ausgedrückt 26. März 2015 Chemiereaktoren

Ziel Aufstellen eines Gleichungssystems mit: Stoffbilanz Wärmebilanz Reaktionskinetischer Gleichung  selten analytisch lösbar! 26. März 2015 Chemiereaktoren

Umsetzung MATrizen-LABoratorium Der grundlegende Datentyp ist das Array (oder Matrix) Dient primär der numerischen (zahlenmäßigen) Lösung von Problemen Stellt Ergebnisse grafisch dar Mit Toolboxen kann MatLab durch anwendungs-spezische Lösungsverfahren erweitert werden Signalverarbeitung, Regelungstechnik, Neuronale Netzwerke, Simulation u.v.m. 26. März 2015 MatLab

Verwendungszwecke MatLab ist eine Hoch-Leistungs-Sprache für technisches Rechnen. Typische Anwendungen: Technisch-wissenschaftliches Rechnen. Entwicklung von Algorithmen. Modellierung, Simulation und Prototyping. Datenanalyse und Visualisierung. Graphische Darstellung von Daten aus Wissenschaft und Ingenieurwesen. Entwicklung von Anwendungen, einschließlich graphischer Benutzer-Oberflächen. 26. März 2015 MatLab

Funktionsweise 26. März 2015 MatLab

26. März 2015 MatLab

Aufgabenstellung Chemiereaktor im Teilfließbetrieb Z.B. zur Erzeugung eines pharmazeutischen Produkts Die Reaktion soll mit MatLab simuliert werden 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 26. März 2015 Aufgabe

Aufgabenstellung Getroffene 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 mit VpFeed,A A + B  C + Wärme Es soll: TW konst. Vmax nicht überschreiten 26. März 2015 Aufgabe

Quellen Hagen, Jens: Chemiereaktoren – Auslegung und Simulation. Weinheim¹ 2004. Arbenz, Peter: Einführung in MatLab. Schweiz 2007/2008.