Chemische und thermische Verfahrenstechnik - Cheatsheet

Stoff- und Energiebilanzen

Definition:

Bilanzierung von Material- und Energieströmen in einem System zur Ermittlung von Massen- und Energieerhaltung.

Details:

• Stoffbilanz: \[ \text{Eintrag} - \text{Austrag} = \text{Ansammlung} \]
• Energiebilanz: \[ \text{Energiezufuhr} - \text{Energieabfuhr} = \text{Energieänderung} \]
• Erforderlich zur Prozessanalyse und -optimierung.
• Berücksichtigt Einheiten: \[ \text{Massefluss}: \frac{kg}{s}, \text{Energiefluss}: \frac{J}{s} \]
• Wichtige Kenngrößen: \[ Q = \text{Wärmemenge}, W = \text{Arbeit}, H = \text{Enthalpie}, \text{U} = \text{innere Energie} \]
• Thermodynamische Gesetze beachten: Erster Hauptsatz der Thermodynamik (Energieerhaltung)

Reaktorarten und ihre Anwendungen

Definition:

Übersicht der wichtigsten Reaktortypen und deren Einsatzbereiche in chemischen und thermischen Verfahren.

Details:

• Batched-Reaktor: Diskontinuierlicher Prozess, gut für kleine Produktionen und Experimente.
• Kontinuierlicher-Strom-Reaktor (CSTR): Konstante Zufuhr und Entnahme, ideal für großvolumige, gleichmäßige Produktionen.
• Plug-Flow-Reaktor (PFR): Strömung der Reaktanden in einem Rohr ohne Vermischung, effiziente Nutzung der Reaktanden, häufig in der petrochemischen Industrie.
• Tubular-Reaktor: Variante des PFR, lange Rohre, große Oberflächen für Wärmeübertragung.
• Katalytischer Reaktor: Nutzung von Katalysatoren zur Beschleunigung chemischer Reaktionen, häufig in der chemischen Prozessindustrie.
• Fluidized-Bed-Reaktor: Feststoffpartikel werden durch einen Gasstrom fluidisiert, eignet sich für exotherme Reaktionen und heterogene Katalyse.

Gibbs'sche freie Energie und Gleichgewichtskonstanten

Definition:

Gibbs'sche freie Energie bestimmt die Richtung chemischer Reaktionen und deren Gleichgewichtszustand.

Details:

• Formel: \( \Delta G = \Delta H - T \Delta S \)
• \( \Delta G < 0 \, \) spontane Reaktion
• \( \Delta G = 0 \, \) Gleichgewicht
• Gleichgewichtskonstante: \( K = e^{-\Delta G / RT} \)
• \( K > 1 \, \) Produkte bevorzugt
• \( K < 1 \, \) Edukte bevorzugt
• Temperatureinfluss: Erhöhung von T kann \( \Delta G \) und K verändern

Reaktionskinetik: Geschwindigkeitsgesetze und -konstanten

Definition:

Reaktionskinetik untersucht die Reaktionsgeschwindigkeit und deren Abhängigkeit von verschiedenen Faktoren. Geschwindigkeitsgesetze beschreiben, wie die Reaktionsgeschwindigkeit von der Konzentration der Reaktanten abhängt.

Details:

• Geschwindigkeitsgesetz: \text{rate} = k \times [A]^m \times [B]^n
• Reaktionsordnung: Gesamtordnung = m + n
• Geschwindigkeitskonstante: k, temperaturabhängig gemäß der Arrhenius-Gleichung
• Arrhenius-Gleichung: \text{k} = A \times e^{-Ea/(R \times T)}
• Einflussfaktoren: Temperatur, Druck, Katalysatoren

Prinzipien der Destillation

Definition:

Trennverfahren aufgrund unterschiedlicher Siedepunkte der Komponenten in einem Gemisch. Erhitzen bis die flüchtigste Komponente verdampft und anschließendes Kondensieren.

Details:

• Siedetemperaturen: Trennung basiert auf unterschiedlichen Siedepunkten der Stoffe.
• Rauschdestillation: Mehrstufiger Destillationsprozess zur Erhöhung der Reinheit.
• Gleichgewicht: Nutzung des Phasengleichgewichts zwischen Dampf und Flüssigkeit.
• Clausius-Clapeyron-Gleichung: \[ \frac{dP}{dT} = \frac{\Delta H_{vap}}{T \Delta V} \]
• Massenbilanz: \[ F = D + B \]
• Enthalpiebilanz: \[ Q = H_V + H_L \]

Phasengleichgewichte und Partitionskoeffizienten

Definition:

Beschreibt das Gleichgewicht zwischen verschiedenen Phasen sowie das Verteilungsverhalten von Stoffen zwischen diesen Phasen.

Details:

• Phasengleichgewicht: Zustand, in dem die chemischen Potenziale in allen Phasen gleich sind.
• Beispiel: Flüssig-Flüssig-Extraktion.
• Partitionkoeffizient (\textit{K}): Verhältnis der Konzentrationen eines Stoffes in zwei nicht mischbaren Phasen, \textit{K}=\frac{C_1}{C_2}.
• Wichtig für Trennverfahren und Stofftransport.

Wärmeaustauscher und deren Berechnung

Definition:

Wärmeaustauscher: Geräte zum Austausch von Wärme zwischen zwei oder mehr Medien. Wichtige Komponente in der chemischen und thermischen Verfahrenstechnik. Berechnung der Austauschleistung entscheidend für Effizienz.

Details:

• Arten: Platten-, Rohrbündel-, Luftkühler
• Grundgleichung: \[ Q = U \times A \times \triangle T_m \]
• Gesamtwärmeübergangskoeffizient: \[ U = \frac{1}{ \frac{1}{h_i} + R_f + \frac{1}{h_o} } \], wobei \( h_i \) und \( h_o \) Innen- und Außenwärmeübergangskoeffizienten sind
• Logarithmische mittlere Temperaturdifferenz (LMTD): \[ \triangle T_m = \frac{ \triangle T_1 - \triangle T_2 }{ \text{ln} \frac{ \triangle T_1 }{ \triangle T_2 } } \]
• Effektivität-NTU Methode für komplizierte Berechnungen