INW - Ingenieur- und NaturWissenschaften Technische Reaktionsführung wissenschaftliche und technische Betreuung: Prof. Dr. M. Seitz Dipl.-Ing. (FH) S. Lebioda Umsatzgrad (USG) EINLEITUNG Die Hauptaufgabe des Reaktionstechnikers besteht darin, chemische Produktionen in geeigneten Reaktoren mit optimierter Wertschöpfung auszulegen. Wichtige Parameter auf die Wertschöpfung sind Umsatzgrad X, Ausbeute Y, Selektivität S, und Raumzeitausbeute RZA, die wiederum von einer geeigneten Reaktionsführung in unterschiedlich ausgeprägten Reaktoren abhängen. Die Praktikumsversuche im Fach "Technische Reaktionsführung" können als eine kausal zusammenhängende Versuchseinheit betrachtet werden, die ihnen Einblicke in das Verhalten chemischer Reaktoren und deren Vorhersagbarkeit geben sollen. 1. Zur Charakterisierung der eingesetzten Reaktion dient der Versuch "Kinetik" (KIN), mit dem alle benötigten kinetischen Parameter in einem diskontinuierlichen Rührkesselreaktor ermittelt werden. 2. Das qualitative und quantitative Durchströmen der Edukte durch einen kontinuierlichen realen Reaktor ist maßgeblich von dessen Geometrie, konstruktiven Aufbaus sowie der Strömungsverhältnisse abhängig. Dieses Verhalten wird im Versuch "Verweilzeitverteilung" (VWZ) statistisch untersucht. 3. Mit Hilfe dieser Untersuchungen ist es nun Möglich den Reaktionsumsatz im realen Reaktor, orts- bzw. zeitgenau zu prognostizieren. Der experimentelle Nachweis wird im Versuch "Umsatzgrad" (USG) durchgeführt. VERSUCHSZIEL Durch Kombination der Versuche "KIN" und "VWZ" soll nun der Umsatzgrad der Verseifungsreaktion innerhalb der realen Anlage, unter den selben Prozessbedingungen ( ) abge- schätzt und experimentell bestimmt werden. -- PA_USG -- Seite 1/5 INW - Ingenieur- und NaturWissenschaften Technische Reaktionsführung wissenschaftliche und technische Betreuung: Prof. Dr. M. Seitz Dipl.-Ing. (FH) S. Lebioda THEORETISCHE GRUNDLAGEN Damit der Umsatzgrad bei gegebener Kinetik und Verweilzeitverteilung vorhersehbar ist, kann ein numerisches Vorgehen über eine sogenannte Zuordnungsmethode angewendet werden. Bei der Zuordnungsmethode werden die VWZ-Summenkurven aus der realen Anlage und die Umsatzgradkurve aus der Kinetik als Funktion der Zeit, spiegelbildlich aufgetragen. Durch eine Zuordnung der experimentell ermittelten Werte ergibt sich eine Kurve Das Integral über X gibt den erzielbaren Umsatzgrad an. Abb.3: Zuordnungsmethode zur Bestimmung des Umsatzgrades realer Reaktoren Beim numerischen Vorgehen wird das Integral gebildet. In Excel kann mit Hilfe von E(t) aus der Verweilzeitbestimmung, des Umsatzgrades X(t) und der kinetischen Parametern bei gegebenen Bedingungen, der mittlere Umsatzgrad für einen diskontinuierlichen Rührkessel berechnet werden. -- PA_USG -- Seite 2/5 INW - Ingenieur- und NaturWissenschaften Technische Reaktionsführung wissenschaftliche und technische Betreuung: Prof. Dr. M. Seitz Dipl.-Ing. (FH) S. Lebioda INFORMATIONEN ZUR VERSUCHSDURCHFÜHRUNG « Analog zum Versuch "Kinetik" sind die gleichen Eingangskonzentrationen der Edukte einzustellen. « Die NaOH-Lsg. sollte zusätzlich intensiv mit einem Rührer homogenisiert werden « Achten Sie darauf, ausreichende Mengen Stammlösung herzustellen « Analog zum Versuch "Verweilzeitverteilung" ist der gleiche Gesamtvolumenstrom einzustellen « Die Leitfähigkeitsmesswerte sind erst nutzbar, wenn die Anlage stationär läuft « Durch Änderung des Volumenstroms (analog VWZ) wird ein neuer Anlagenpunkt eingestellt. « Nach Versuchsende die Anlage mit destilliertem Wasser spülen AUSWERTUNG « Strömungsrohr: bei idealen Verhalten, mittels Zuordnungsmethode und für alle Teilreaktoren und Gesamtanlage « RKK: für 3 gleich große RK, mittels Zuordnungsmethode und für alle Teilreaktoren und Gesamtanlage « Berechnen Sie einen geeigneten kontinuierlich betriebenen Reaktor zur Herstellung von 100.000 t/a Natriumacetat (8.000 h/a) bei 32°C Reaktionstemperatur und 80% Umsatzgrad « Veranschlagen Sie einen möglichen Betriebsbereich (T, τ, c) des Reaktors, so dass Sie die Unsicherheiten (die sich aus den Unterschieden gemes- sen/berechnet/Zuordnungsmethode ergeben) abfangen können -- PA_USG -- Seite 3/5 INW - Ingenieur- und NaturWissenschaften Technische Reaktionsführung wissenschaftliche und technische Betreuung: Prof. Dr. M. Seitz Dipl.-Ing. (FH) S. Lebioda VORBEREITUNGS- UND VERSTÄNDNISFRAGEN 1. Wie ist der Umsatzgrad bzw. der Umsatz definiert? 2. Wie können Sie den Umsatz bei gegebenen Reaktorvolumen steigern? (mindestens drei mögliche Lösungen!). 3. Leiten Sie den theoretischen Umsatzgrad für eine Reaktion 1.Ordnung für ein Strömungsrohr her? 4. Leiten Sie den theoretischen Umsatzgrad für eine Reaktion 1.Ordnung für einen kontinuierlichen Rührkessel her? 5. Erklären Sie die Zuordnungsmethode! 6. Unter welchen Bedingungen erwarten Sie den größten Unterschied zwischen einem Reaktor mit realem und idealem Verhalten? Tragen Sie dazu die Konzentration über den Reaktionsort auf! 7. Wie berechnen Sie den Umsatzgrad? 8. Wie können Sie für einen gegebenen Reaktor den Umsatzgrad vorhersagen? 9. Wie legen Sie einen Reaktor aus? BENÖTIGTE MATERIALIEN « Schutzbrille « Schutzhandschuhe « Laborkittel « Taschenrechner/ggf. Laptop -- PA_USG -- Seite 4/5 INW - Ingenieur- und NaturWissenschaften Technische Reaktionsführung wissenschaftliche und technische Betreuung: Prof. Dr. M. Seitz Dipl.-Ing. (FH) S. Lebioda VERWENDETE STOFFE Essigsäureethylester (Ethylacetat) CAS Nr. 141-78-6 Flammpunkt -4 °C uEG 2,1 % oEG 11,5 % H-Sätze H225/H319/H336/EUH066 P-Sätze P210/P243/P305+P351+P338 Wassergefährdungsklasse WGK 1 Molare Masse 88,11 g/mol Dichte 0,9 g/cm³ Sonstiges https://www.carlroth.com/downloads/sdb/de/4/SDB_4424_DE_DE.pdf Natriumhydroxid (50 Gew%) CAS Nr. 1310-73-2 MAK 2 mg/m³ H-Sätze H290/H314 P-Sätze P280/P305+P351+P338/ P301+P330+P331/P310/P406 Wassergefährdungsklasse WGK 1 Molarität 19,05 mol/l Dichte 1,524 g/cm³ Sonstiges aus Reaktion mit Metallen kann Wasserstoff entstehen https://www.carlroth.com/downloads/sdb/de/8/SDB_8655_DE_DE.pdf -- PA_USG -- Seite 5/5
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