Simulation von Chemiereaktoren

Simulation von
Chemiereaktoren
Kooperation:
Markus Birkenmeier
Hochschule
Mannheim
Hectorianer:
Malte Janzing MA09
Luca Heinen HD09
Struktur
• Chemiereaktoren
– 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.
26. März 2015
Chemiereaktoren
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Unterscheidungen
• Diskontinuierlicher Betrieb (Satzbetrieb)
• Kontinuierlicher Betrieb (Fließbetrieb)
• Halbkontinuierlicher Betrieb (Teilfließbetrieb)
26. März 2015
Chemiereaktoren
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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
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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
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Ziel
• Aufstellen eines Gleichungssystems mit:
– Stoffbilanz
– Wärmebilanz
– Reaktionskinetischer Gleichung
 selten analytisch lösbar!
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Chemiereaktoren
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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 anwendungsspezische Lösungsverfahren erweitert werden
– Signalverarbeitung, Regelungstechnik, Neuronale
Netzwerke, Simulation u.v.m.
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MatLab
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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.
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MatLab
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Funktionsweise
26. März 2015
MatLab
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26. März 2015
MatLab
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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
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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
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Aufgabe
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Quellen
• Hagen, Jens: Chemiereaktoren – Auslegung und Simulation.
Weinheim¹ 2004.
• Arbenz, Peter: Einführung in MatLab. Schweiz 2007/2008.