Simulation von Chemiereaktoren
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Simulation von Chemiereaktoren Kooperation Markus Birkenmeier Prof. Thomas Röder Hochschule Mannheim Malte Janzing MA09 Luca Heinen HD09 Struktur • Aufgabenstellung • Chemiereaktoren – Zweck – Unterscheidungen – Stoff- und Wärmebilanz • MatLab – typische Anwendungen • Vorführung der Simulation Chemiereaktoren 2 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 3 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 4 Chemiereaktoren Zweck Unterscheidungen Stoff- und Wärmebilanz Chemiereaktoren 5 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. Chemiereaktoren 6 Zweck z.B. kostenintensive Medikamentenherstellung keine Testversuche nötig hohe Kostenersparnis Chemiereaktoren 7 Unterscheidungen • Diskontinuierlicher Betrieb (Satzbetrieb) • Halbkontinuierlicher Betrieb (Teilfließbetrieb) • Kontinuierlicher Betrieb (Fließbetrieb) Chemiereaktoren 8 Satzbetrieb 1) Voll-Befüllung 1) Reaktion Kühlwand Leitblech 1) Entleerung Rührer 1) Reinigung Produkt Chemiereaktoren 9 Satzbetrieb Chemiereaktoren 10 Unterscheidungen • Diskontinuierlicher Betrieb (Satzbetrieb) • Halbkontinuierlicher Betrieb (Teilfließbetrieb) • Kontinuierlicher Betrieb (Fließbetrieb) Chemiereaktoren 11 Teilfließbetrieb 1) Teil-Befüllung 1) Reaktion Kühlwand Leitblech 1) Entleerung Rührer 1) Reinigung Produkt Chemiereaktoren 12 Teilfließbetrieb Chemiereaktoren 13 Unterscheidungen • Diskontinuierlicher Betrieb (Satzbetrieb) • Halbkontinuierlicher Betrieb (Teilfließbetrieb) • Kontinuierlicher Betrieb (Fließbetrieb) Chemiereaktoren 14 Fließbetrieb ständige Reaktion hohe Produktion seltene Wartung verknüpft oftmals viele Einzelreaktionen Chemiereaktoren 15 Fließbetrieb Chemiereaktoren 16 Unterscheidungen • Diskontinuierlicher Betrieb (Satzbetrieb) • Halbkontinuierlicher Betrieb (Teilfließbetrieb) • Kontinuierlicher Betrieb (Fließbetrieb) Chemiereaktoren 17 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 18 Wärmebilanz Wärme im Bilanzraum = zugeführte Wärme - austretende Wärme + durch Reaktion gebildete oder verbrauchte Wärme + mit Umgebung ausgetauschte 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 19 Ziel • Aufstellen eines Gleichungssystems mit – Stoffbilanz – Wärmebilanz – reaktionskinetischer Gleichung selten analytisch lösbar! Chemiereaktoren 20 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 Chemiereaktoren 21 MatLab Chemiereaktoren 22 MatLab Chemiereaktoren 23 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 24 Vorführung Chemiereaktoren 25 Benutzeroberfläche Chemiereaktoren 26 1. Eingabe eines Werts in das Eingabefeld 2. Bestätigung durch „OK“ Chemiereaktoren 27 1. Diagramme werden gezeichnet. 2. Menge des aktuell hergestellten Stoff C berechnet. Chemiereaktoren 28 1. Weiterer Wert kann in das Eingabefeld eingegeben werden. 2. Bestätigung durch „OK“ Chemiereaktoren 29 Nach zehn Durchläufen wird die Simulation automatisch beendet. Chemiereaktoren 30 Wird eine zu hohe Feedrate eingegeben… Chemiereaktoren 31 …und dadurch die Maximaltemperatur überschritten, wird der Spieler nach dem weiteren Vorgehen gefragt. Chemiereaktoren 32 1. Möglichkeit: Weitermachen Chemiereaktoren 33 Eine neue Eingabe kann getätigt werden, Chemiereaktoren 34 Warnung erscheint bei jeder weiteren Eingabe erneut, da der Reaktor bereits defekt ist. Chemiereaktoren 35 2. Möglichkeit: Neustart Chemiereaktoren 36 Das Intervall beginnt wieder bei 1 und eine neue Eingabe muss getätigt werden. Chemiereaktoren 37 3. Möglichkeit: Abbruch Chemiereaktoren 38 Die Simulation wird beendet. Chemiereaktoren 39 Betätigen des „Schließen“ Buttons Chemiereaktoren 40 Das Programm wird beendet. Chemiereaktoren 41 Danksagung Josephine und Dr. Hans-Werner Hector Hochschule Mannheim – Markus Birkenmeier – Prof. Thomas Röder Frau Briese Chemiereaktoren 42
