Simulation von Chemiereaktoren

Präsentation zum Thema: "Simulation von Chemiereaktoren"—  Präsentation transkript:

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

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

3 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

4 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

5 Chemiereaktoren Zweck Unterscheidungen Stoff- und Wärmebilanz

6 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

7 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

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

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

10 Satzbetrieb Chemiereaktoren

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

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

13 Teilfließbetrieb Chemiereaktoren

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

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

16 Fließbetrieb Chemiereaktoren

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

18 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

19 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

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

21 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

22 MatLab Chemiereaktoren

23 MatLab Chemiereaktoren

24 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

25 Vorführung Chemiereaktoren

26 Benutzeroberfläche Chemiereaktoren

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

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

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

30 Nach zehn Durchläufen wird die Simulation automatisch beendet.
Chemiereaktoren

31 Wird eine zu hohe Feedrate eingegeben…
Chemiereaktoren

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

33 1. Möglichkeit: Weitermachen
Chemiereaktoren

34 Eine neue Eingabe kann getätigt werden,
Chemiereaktoren

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

36 2. Möglichkeit: Neustart
Chemiereaktoren

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

38 3. Möglichkeit: Abbruch Chemiereaktoren

39 Die Simulation wird beendet.
Chemiereaktoren

40 Betätigen des „Schließen“ Buttons
Chemiereaktoren

41 Das Programm wird beendet.
Chemiereaktoren

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