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
