Chemische Reaktionstechnik: mit MATLAB und SIMULINK

Chemische Reaktionstechnik......Page 5
Inhaltsverzeichnis......Page 9
Vorwort......Page 15
0.1 Schriftauszeichnung......Page 21
0.2 Symbolverzeichnis......Page 22
0.3 Abkürzungsverzeichnis......Page 25
1 Einleitung......Page 27
2.1 Einführung......Page 31
2.2.1 Vektorisierung......Page 32
2.2.2 Matrizenmanipulation......Page 33
2.2.3 Zeichenkettenverarbeitung......Page 34
2.2.4 MATLABs Befehl eval......Page 35
2.3 MATLAB-Programme oder SIMULINK-Modelle?......Page 36
2.4 S-Funktionen, C und FORTRAN......Page 43
2.5.3 Symbolic Math Toolbox......Page 49
2.5.4 Weitere Toolboxen......Page 50
3.1.1 Stöchiometrische Gleichungen aus der Element-Spezies-Matrix......Page 51
3.1.2 Stöchiometrische Gleichungen aus der stöchiometrischen Matrix chemischer Reaktionen......Page 60
3.1.3 Beispiel: Katalytische Dampfspaltung von Methan zu Synthesegas......Page 64
3.2 Thermodynamische Gleichgewichte (Nichtlineare AGls)......Page 66
3.3.1 Wichtige reaktionskinetische Größen und Beziehungen......Page 69
3.3.2 Komplexe Reaktionssysteme (DGls)......Page 71
3.3.2.2 Numerische Lösung......Page 72
3.3.2.3 SIMULINK-Block-Modell......Page 78
3.3.2.4 SIMULINK-Modell mit M-File S-Function......Page 80
3.3.2.5 SIMULINK-Modell mit C MEX-File S-Function......Page 81
3.3.2.6 SIMULINK-Model1 mit compilierter M-File S-Function......Page 88
3.3.3 Beispiel: Spaltung von Kohlenwasserstoffen......Page 89
3.3.4 Zusammenfassung......Page 93
3.4.1 Wahl von Nichtschlüsselkomponenten (*)......Page 94
3.4.2 Korrespondierende Manipulation von ESM und Spezies-Vektor (** bis ***; * wenn stoich als Vorlage benutzt wird)......Page 95
3.4.4 Automatische Generierung der Reaktionsmatrix für einen Reaktionsmechanismus (Chemischer Compiler 1) (***)......Page 96
3.4.5 Automatische Generierung der Geschwindigkeitsgleichungen für einen Elementarmechanisnius (Chemischer Compiler 2) (**)......Page 98
3.4.6 Wasserdampfsättiger (*)......Page 99
3.4.7 Synthesegaszusammensetzung aus der Analyse des trockenen Produktgases (*)......Page 101
3.4.8 Überprüfung eines Reaktionsgemisches am Reaktorausgang auf Gleichgewicht (*)......Page 104
3.4.9 Gleichgewicht am Reaktorausgang (*)......Page 107
3.4.11 Molwärme eines realen Gases (*)......Page 110
3.4.12 SIMULINK-Modell der Ethan-Spaltung mit MATLAB-Fcn-Block (**)......Page 112
3.4.13 SIMULINK-Modell der Ethan-Spaltung mit Fcn-Blöcken (**, SE bedingt)......Page 114
3.4.14 SIMULINK-Modell der Ethan-Spaltung mit S-Funktion (**)......Page 116
3.4.15 Einfaches System aus nichtlinearen algebraischen und Differential-Gleichungen (DAE- oder DAG1-System) (*)......Page 122
4 Rührkesselreaktoren......Page 127
4.1.1 Stoff- und Energiebilanzen......Page 129
4.1.2 Beispiel: Zweistufiger Prozeß (DAG1-Systeme mit Unstetigkeiten)......Page 130
4.2.2 Beispiel: Reaktionskalorimeter......Page 137
4.3.2 Beispiel: Optimierung einer Lösungs-Copolymerisation in einer vierstufigen Rührkesselkaskade......Page 149
4.4.1 Lösung eines DAGl-Systems durch Kombination von DGl- und algebraischen Gleichungslösern (*)......Page 154
4.4.2 Lösung eines reaktionskinetischen DAGl-Systems durch Überführung der Gleichgewichtsbeziehungen in kinetische Gleichungen (*)......Page 157
4.4.3 Lösung eines DAGl-Systems über Differentiation der algebraischen Gleichungen (**)......Page 159
4.4.4 Lösung des DAGl-Systems 4.4.1 mit einem DAGl-Löser von MATLAB ab Version 5.3......Page 161
4.4.5 Lösung des DAGl-Systems 4.4.1 mit SIMULINK unter Verwendung eines externen DAGl-Lösers (***)......Page 162
4.4.6 Einstellen der Regler am Reaktionskalorimeter für die Sulfonierung von Nitrobenzol (*, nicht SE)......Page 174
4.4.7 Verlustleistung des Reaktionskalorimeters bei den Bedingungen des Problems 4.4.6 (*, nicht SE)......Page 175
4.4.8 Sulfonierung von Nitrobenzol mit Oleum im leistungskompensierten Reaktionskalorimeter mit Differentialkühlung (*, nicht SE)......Page 176
4.4.10 Produktivitätssteigerung bei einer technischen Cyanethylierung (**)......Page 179
4.4.12 CSTR – Chemostat (*)......Page 184
4.4.13 Exotherme Reaktion im wandgekühlten CSTR (**)......Page 186
4.4.14 Styrolpolymerisation im CSTR (***)......Page 189
4.4.15 Einstellen der Zuströme in einem konzentrationsgeregelten Differential-Kreislaufreaktor (**)......Page 199
4.4.16 SIMULINK-Modell einer Destillationskolonne anhand der MESH-Gleichungen (***, nicht SE)......Page 201
5.1 Noch einmal Stöchiometrie......Page 217
5.2.1 Modellgleichungen und Diskussion der Randbedingungen......Page 225
5.2.2 Schußverfahren und Diskretisierung......Page 227
5.2.3 Mehrzielmethode (Bulirsch\'sches Randwertproblem)......Page 234
5.3 Instationärer FBR mit axialer Dispersion......Page 239
5.4.1 Modellgleichungen und Randbedingungen......Page 240
5.4.2 Methode der finiten Bilanzvolumina (Finite Volumenmethode)......Page 241
5.4.3 Linienmethode......Page 245
5.4.4 Orthogonale Kollokation......Page 250
5.5.1 Aufstellen der Stoffbilanzen für die katalytische Methanisierung im isothermen FBR (*)......Page 252
5.5.2 Gleichgewichtsberechnungen durch Lösen von Reaktorgleichungen bei großer Verweilzeit (*)......Page 253
5.5.3 Oxidation von o-Xylol im idealen FBR (*)......Page 257
5.5.4 Radiale Temperaturprofile im FBR in parabolischer Naherung (*)......Page 259
5.5.5 SIMULINK-Modell fur den FBR mit beliebigen Reaktionen (***, nicht SE)......Page 260
5.5.6 Einfluß axialer Dispersion (**)......Page 265
5.5.7 Auswertung von Verweilzeitmessungen in einem Festbettreaktor (*)......Page 268
5.5.8 Konzentrations- und Temperaturprofile im adiabatischen FBR mit axialer Dispersion (**)......Page 271
5.5.9 FBR mit periodischer Strömungsumkehr (**)......Page 275
5.5.10 Simulation eines FBR nach dem zweidimensionalen Modell mit Hilfe der FVM (**)......Page 279
5.5.11 Lösung der Wärmeleitungsgleichung mit der Linienmethode (**)......Page 284
5.5.12 Berechnung der Nullstellen für die orthogonalen Polynome nach G1. 5.106 (***, nicht SE)......Page 287
5.5.13 Berechnung der Matrizen A, B, Q und W für die orthogonale Kollokation (*)......Page 288
5.5.14 Oxidation von o-Xylol nach dem zweidimensionalen Modell eines FBR (Orthogonale Kollokation) (***)......Page 289
5.5.15 Oxidation von o-Xylol nach dem zweidimensionalen Modell eines FBR mit Hilfe von FEMLAB (nicht SE)......Page 292
6.1 Transportlimitierungen zwischen den Phasen......Page 295
6.2 Transportlimitierungen in der Feststoffphase......Page 299
6.3.1 Konzentrationsprofile zwischen Gas und Katalysatorkorn nach der Filmtheorie bei einer Reaktion vom Typ A → B + C mit Hilfe der SM-Gleichungen (*)......Page 305
6.3.1 Konzentrationsdifferenzen zwischen Gas und Katalysatorkorn nach der Filmtheorie bei einer Reaktion vom Typ A → B + C mit Hilfe der SM-Gleichungen (*)......Page 307
6.3.3 Isothermer eindimensionaler FBR mit externem Stofftransportwiderstand (DAGl-System) (**, nicht SE)......Page 310
6.3.4 Konzentrationsprofil und Nutzungsgrad für eine heterogen-katalytische Reaktion A → B erster Ordnung in A (**, SE bedingt)\n......Page 315
6.3.5 Reaktion erster Ordnung A → B im isothermen FBR mit Porendiffusion (**)\n......Page 318
6.3.6 Reaktion erster Ordnung A → B im porösen Katalysatorkorn nach dem Staub-Bas-Modell (**)......Page 319
6.3.7 Reaktion A →/← B + C mit LH-Kinetik im porösen Katalysatorkorn nach dem Staub-Gas-Modell (***)......Page 322
6.3.8 Nichtisothermer Festbettreaktor mit Stofftransportwiderständen im Katalysatorkorn (***)......Page 326
7 Planen und Auswerten reaktionskinetischer Experimente......Page 331
7.1.1 Regression......Page 332
7.1.2.1 Sensitivitätsgleichungen......Page 334
7.1.2.2 Das „inverse\" Problem......Page 335
7.1.3 Differenzieren und Integrieren von Meßwerten......Page 336
7.2.1 Parameterpräzisierung......Page 339
7.2.2 Modellaufbau......Page 340
7.2.3 Modelldiskriminierung......Page 342
7.3.1 Kinetische Untersuchungen im isothermen Batch-Reaktor (*)......Page 343
7.3.2 Reaktionskinetische Auswertung einer qr Kurve im Reaktionskalorimeter (*)......Page 347
7.3.3 Einzelreaktion erster Ordnung; Häufigkeitsfaktor und Aktivierungsenergie nach der Methode der kleinsten Quadrate (*)......Page 349
7.3.4 Bewertung der Anpassung in Problem 7.3.3: Antwortfläche, Kovarianzmatrix und gemeinsamer Konfidenzbereich der Parameter (**)......Page 351
7.3.6 Parameterschätzung in DGls (*)......Page 355
7.3.7 Parameterschätzung in DGls mit der Mehrzielmethode (***, nicht SE)......Page 359
7.3.8 Differentielle Auswertung von Konzentrations-ZeitKurven mit Polynomen und Splines (*, SE nur mit Polynomen)......Page 368
7.3.10 Differentielle Auswertung von Konzentrations-ZeitKurven mit rationalen Funktionen (*)......Page 376
7.3.11 Parameterschätzung in einer einfachen DGl mit der Himmelblau-Jones-Bischoff-Methode (*)......Page 379
7.3.12 Parameterschätzung in der Bulirsch-DGl mit der Himmelblau-Jones-Bischoff-Methode (*)......Page 380
7.3.13 Präzisierung der Geschwindigkeitskonstanten in einer Langmuir-Hinshelwood-Gleichung (**, nicht SE)......Page 382
7.3.14 Modellaufbau (**)......Page 385
7.3.15 Diskriminierung zwischen zwei Geschwindigkeitsgleichungen (**)......Page 391
7.3.16 Differentielle Auswertung von axialen Konzentrations- und Temperaturmessungen in einem NH3-Versuchsreaktor (***, nicht SE)......Page 395
A.1 Menu-Führung......Page 409
A.2 GUIs......Page 410
A.3 Neuronale Netze – ein Beispiel für Toolboxen......Page 411
A.4 CFD......Page 415
Literaturverzeichnis......Page 421
Index......Page 424