Lehre

1. Einführung in die chemische Reaktionstechnik

1.1 Übergeordnete Ziele

1.2 Inhalte der Reaktionstechnik

2. Grundbegriffe der Reaktionstechnik

2.1 Allgemeine Definition von Reaktionssystemen

2.2 Allgemeine Definition von Reaktoren

2.3 Quantitative Beschreibung von Reaktionen mit lokalen Größen

2.4 Quantitative Beschreibung von Reaktionen mit integralen Größen

3. Thermodynamik

3.1.1 Hauptsatz und Anwendung in der Reaktionstechnik

3.2.2 Hauptsatz und Anwendung in der Reaktionstechnik

4. Stöchiometrie

4.1 Grundgleichung der Stöchiometrie

4.2 Elementbilanz (Bilanzierbarkeit)

5. Kinetik chemischer Reaktionen (Mikrokinetik)

5.1 Typen kinetischer Ansätze

5.2 Irreversible Reaktion n-ter Ordnung

5.3 Reversible Reaktion

5.4 1,1-Folgereaktionen

5.5 1,1-Parallelreaktionen

5.6 Reaktionsnetzwerke

6. Typen chemischer Reaktionsapparate

6.1 Homogene Reaktion in flüssiger Phase

6.2 Homogene Reaktion in Gasphase

6.3 Heterogen katalysierte Reaktionen

6.4 Gas/Flüssig-Reaktionen

7. Berechnung chemischer Reaktoren

7.1 Stoffbilanzen (isothermer Reaktoren)

7.1.1 Diskontinuierlicher, idealer Rührkessel (BSTR)

7.1.2 Kontinuierlicher, idealer Rührkessel (CSTR)

7.1.4 Kontinuierliches, ideales Strömungsrohr (PFTR)

7.1.5 Vergleich und Diskussion idealer Reaktoren

7.2. Wärmebilanzen (nicht-isothermer Reaktoren)

7.2.1 Diskontinuierlicher, idealer Rührkessel (BSTR)

7.2.2 Kontinuierlicher, idealer Rührkessel (CSTR)

7.2.4 Kontinuierliches, ideales Strömungsrohr (PFTR)

8. Verweilzeitverteilung

8.1 Definition

8.2 Experimentelle Bestimmung

8.3 Verweilzeitverteilung idealer Reaktoren

8.4 Verweilzeitverteilung realer Reaktoren

9. Reaktionstechnik heterogen katalysierter Reaktionen

Wahlpflichtmodul im Forschungsprofil „Advanced Synthesis and Catalysis“, Master Chemie, 3. Semester

 10. Mikroreaktionstechnik

1. Einleitung

1.1. Geschichte der Beschreibung chemischer Technologien

1.2. Einteilung der Grundoperationen

1.3. Mathematische Beschreibung von Grundoperationen

2. Mechanische Verfahren

2.1. Zerkleinerung von Feststoffen

2.2. Flüssigkeitszerteilung

2.3. Filtration

2.4. Sedimentation

2.5. Zentrifugieren

2.6. Fliehkraftabscheider

2.7. Flotation

2.8. Stoffvereinigung

3. Fluide Systeme

3.1. Hydrostatik

3.2. Hydrodynamik

3.3. Druckverluste in Rohrleitungen und Reaktorbauteilen

3.4. Das Messen der Strömungsgeschwindigkeit

3.5. Pumpen

4. Wärmetransport

4.1. Wärmeleitung

4.2. Wärmeübergang

4.3. Wärmedurchgang

4.4. Wärmestrahlung

4.5. Auslegung von Wärmetauschern

4.6. Bauformen von Wärmetauschern

5. Thermische Trennverfahren

5.1. Phasengleichgewichte

5.2. Mechanismen des Stofftransportes

5.3. Destillation und Rektifikation

6. Extraktion

6.1. Grundlagen der Extraktion

6.2. Kreuzstromextraktion

6.3. Gegenstromextraktion

6.4. Bauformen von Extraktionsanlagen

7. Sorption von Gasen und Dämpfen

7.1. Absorption

7.2. Adsorption

Das Praktikum besteht aus sechs Einzelversuchen mit Themengebieten aus den Vorlesungen zu Mechanischen und Tehermischen Grundoperationen und der Chemischen Reaktionstechnik.

Die Versuche sind:

1. Thermische Trennung flüssiger Gemische
2. Extraktion
3. Thermische Trennung von Gasen und die heterogen katalysierte Isomerisierung von n-Hexan
4. Wärmetransport
5. Verweilzeit-Verteilungscharakteristika von Reaktoren
6. Photoreaktoren

1. Einführung

1.1. Gliederung

1.2. Literaturempfehlungen

1.3. Normfließbilder

1.4. Klassifizierung chemischer Produkte und Verfahren

1.5. Wirtschaftliche Aspekte

1.6. Chemische Industrie: Trends, Fakten, Zahlen

2. Rohstoffe der chemischen Industrie

2.1. Definitionen

2.2. Reichweite und Verfügbarkeit (Erdöl, Erdgas, Kohle)

2.3. Entstehung, Exploration und Förderung (Erdöl, Erdgas, Kohle)

3. Erdölverarbeitung Teil I: Kraftstoffraffinerie

3.1. Allgemeines

3.2. Produkte der Kraftstoffraffinerie

3.3. Rohöldestillation

3.4. Katalytisches Cracken (Fluid Catalytic Cracking)

3.5. Hydrocracken

3.6. Hydrotreating

3.7. Claus-Prozess

3.8. Katalytisches Reformieren

3.9  Trends in der Kraftstoffraffinerie

3.10 Raffineriekapazitäten

4. Erdölverarbeitung Teil II: Petrochemische Raffinerie

4.1. Allgemeines

4.2. Thermisches Cracken (Steamcracken)

4.3. Thermisches Cracken (Hochtemperaturpyrolyse)

4.4. Verwendung der petrochemischen Grundchemikalien

5. Erdgasverarbeitung

5.1. Steamreforming (Synthesegaserzeugung)

5.2. Methanol-Synthese

5.3. Methanol-to-Hydrocarbons

5.4. Fischer-Tropsch-Synthese

6. Kohleverarbeitung

6.1. Kohleentgasung (Verkokung/Verschwelung)

6.2. Kohlevergasung

6.3. Kohlehydrierung

6.4. Acetyen-Erzeugung

6.5. Grundchemikalien auf Basis von Kohle

7. Anorganische Grundchemikalien

7.1. Anorganische Schwefelverbindungen

7.2. Anorganische Stickstoffverbindungen

7.3. Chlor und Natronlauge

1. Einführung

1.1. Bedeutung und Einordnung der heterogenen Katalyse

1.2. Beispiel: Selektivoxidationen

1.3. Strategien der Katalysatorentwicklung

1.3.1. Wissensbasiert

1.3.2. Empirisch

1.4. Literaturempfehlungen

1.5. Vorlesungsgliederung 

2. Wechselwirkung von Molekülen mit Festkörperoberflächen

2.1. Sorption

2.1.1. Physisorption

2.1.2. Chemisorption

2.2. Molekulare Betrachtung

2.2.1. Energetische Faktoren

2.2.2. Sterische Faktoren

2.2.3. Elektronische Faktoren

2.3. Beispiele

2.3.1. Aktivierung von H₂O₂ an TS-1

2.3.2. CO-Oxidation an Ru

3. Mikrokinetik

3.1. Ableitung von Reaktionsgeschwindigkeitsansätzen

3.1.1. Methoden

3.2. Allgemeine Beispiele

3.2.1. Monomolekulare heterogen katalysierte Reaktionen

3.2.2. Bimolekulare heterogen katalysierte Reaktionen

3.3. Modelldiskriminierung

3.4. Konkrete Beispiele

3.4.1. N₂O-Zersetzung

3.4.2. CO-Oxidation

3.4.3. Ethen-Epoxidation

4. Katalysatordeaktivierung

4.1. Phänomenologie der Deaktivierung

4.2. Deaktivierungsmechanismen

4.2.1. Vergiftung

4.2.2. Verkokung

4.2.3. Sinterung

4.2.4. Austrag über die Gasphase

4.3. Beispiele

4.4. Verringerung der Deaktivierung und Regenerierung

VL I Motivation und Einführung

VL II Herstellungsverfahren und "Mikroeffekte"

VL III Ein- und mehrphasige Prozessführung in mikrostrukturierten Reaktoren

VL IV Beispiel aus dem Institut: Ethoxylierung im Mikrostrukturreaktor

VL V Intensivierung des Wärme- und Stoffübergangs

VL VI Mehrphasenreaktionen in Mikrostrukturreaktoren

VL VII Photoreaktionen in Mikrostrukturreaktoren

VL VIII Potentiale mikrostrukturierter Reaktoren – stark exotherme Reaktionen

VL IX Potentiale mikrostrukturierter Reaktoren – stoffübergangsempfindliche Reaktionen

VL X Auslegungsaspekte

VL XI Beispiel aus dem Institut: Photoreaktionen in Mikrostrukturreaktor

VL XII Anwendungsbeispiel aus der Literatur

VL XIII Anwendungsbeispiel aus der Literatur

1. Einführung

1.1. Historisches

1.2. Definitionen

 1.2.1. Reaktionsgeschwindigkeitsgrößen

 1.2.2. Zeitgrößen

1.3. Feste Katalysatoren

1.3.1.   Klassifizierung

1.3.2.   Herstellung

1.3.3.   Textur

2. Katalysatorscreening

2.1. Prinzipielle Vorgehensweisen

2.2. Umsatzgrad-Probleme

 2.2.1. Irreversible Reaktionen

 2.2.2. Reversible Reaktionen

2.3. Selektivitätsprobleme

2.4.Übung

3. Mikrokinetik

3.1. Vorüberlegungen

3.1.1. Einführung der Belegungsgrade

3.1.2. Langmuir-Isotherme

3.2. Kinetik monomolekularer Reaktionen

3.3. Kinetik bimolekularer Reaktionen

3.4 Sonderfälle

3.4.1 Dissoziative Adsorption

3.4.2 Bifunktionelle Katalysatoren

3.5. Beispiele

3.5.1. N₂O-Zersetzung

3.5.2. Hydrierende Entschwefelung

3.5.3.CO-Oxidation

3.5.4. Ethen-Epoxidation

4. Makrokinetik

  4.1. Einführung

  4.2. Äußerer Stofftransport (Filmdiffusion)

  4.3. Innerer Stofftransport (Porendiffusion)

  4.4. Überlagerung von Transportphänomenen

5. Reaktoren für heterogen-katalysierte Gasphasen-Reaktionen 

5.1. Laborreaktoren

5.2. Industrie-Reaktoren

1. Einleitung

2. Mikroskopie-Techniken

2.1 Elektronen-Mikroskopie
2.1.1 Grundlagen der Elektronen-Mikroskopie
2.1.2 Aufbau der unterschiedlichen Elektronen-Mikroskope
2.1.3 Ausgewählte Anwendungen der bildgebenden Elektronen-Mikroskopie
2.2 Kraftfeld-Mikroskopie (AFM)
2.2.1 Grundlagen der Kraftfeld-Mikroskopie
2.2.2 Aufbau von Kraftfeld-Mikroskopen
2.2.3 Ausgewählte Anwendung der Kraftfeld-Mikroskopie
2.3 Raster-Tunnel-Mikroskopie (STM)
2.3.1 Grundlagen der Raster-Tunnel-Mikroskopie
2.3.2 Aufbau von Raster-Tunnel-Mikroskopen
2.3.3 Ausgewählte Anwendung der Raster-Tunnel-Mikroskopie

3. Diffraktions-Techniken

3.1 Röntgen-Diffraktion (XRD)
3.1.1 Grundlagen der Röntgen-Diffraktion
3.1.2 Experimentelle Techniken der Röntgen-Diffraktion
3.1.3 Anwendung der Röntgen-Diffraktion
3.2 Elektronen-Diffraktion (LEED)
3.2.1 Grundlagen und Technik der Elektronen-Diffraktion
3.2.2 Anwendung der Elektronen-Diffraktion
3.3 Neutronen-Diffraktion (ND)
3.3.1 Grundlagen der Neutronen-Diffraktion
3.3.2 Experimentelle Technik der Neutronen-Diffraktion
3.3.3 Anwendungen der Neutronen-Diffraktion

4. Röntgen-Absorptionsspektroskopie (XAS)

4.1 Grundlagen der XANES uns EXAFS
4.2 Experimentelle Techniken der XAS-Methoden
4.3 Anwendungen der XAS-Techniken

5. Elektronen-Spektroskopie

5.1 Grundlagen der Elektronen-Spektroskopie
5.2 Röntgen-Photoelektronen-Spektroskopie (XPS)
5.2.1 Methode und experimentelle Technik der XPS
5.2.2 Anwendungen der XPS
5.3 Ultraviolet-Photoelektronen-Spektroskopie (UPS)
5.3.1 Methode und experimentelle Technik der UPS
5.3.2 Anwendung der UPS
5.4 Auger-Elektronen-Spektroskopie (AES)
5.4.1 Methode und experimentelle Technik der AES
5.4.2 Anwendungen der AES

6. Ionen-Spektroskopie

6.1 Grundlagen der Ionen-Spektroskopie
6.2 Sekundär-Ionen-Massen-Spektrometrie (SIMS)
6.2.1 Methode und experimentelle Technik der SIMS
6.2.2 Anwendungen der SIMS
6.3 Sekundär-Neutralteilchen-Massen-Spektrometrie (SNMS)
6.3.1 Methode und experimentelle Technik der SNMS
6.3.2 Anwendung der SNMS
6.4 Rutherford-Rückstreu-Spektrometrie (RBS)
6.4.1 Methode und experimentelle Technik der RBS
6.4.2 Anwendung der RBS
6.5 Niedrig-Energie-Ionen-Streuung (LEIS)
6.5.1 Methode und experimentelle Technik der LEIS
6.5.2 Anwendung der LEIS

7. Schwingungsspektroskopie

7.1 Grundlagen der Schwingungspektroskopie
7.2 Infrarot-Spektroskopie (IR)
7.2.1 Methode und experimentelle Technik der IR-Spektroskopie
7.2.2 Anwendungen der IR-Spektroskopie
7.3 Raman-Spektroskopie
7.3.1 Methode und experimentelle Technik der Raman-Spektroskopie
7.3.2 Anwendungen der Raman-Spektroskopie
7.4 Elektron-Energie-Verlust-Spektroskopie (EELS)
7.4.1 Methode und experimentelle Technik der EELS
7.4.2 Anwendung der EELS

8. UV/Vis- und EPR-Spektroskopie

8.1 Gegenüberstellung der Methoden
8.2 UV/Vis-Spektroskopie
8.2.1 Methode und experimentelle Technik der UV/Vis-Spektroskopie
8.2.2 Anwendungen der UV/Vis-Spektroskopie
8.3 EPR-Spektroskopie

9. Festkörper-NMR-Spektroskopie

9.1 Methode und experimentelle Technik der Festkörper-NMR-Spektroskopie
9.2 Anwendungen der Festkörper-NMR-Spektroskopie
9.2 Anwendungen der Festkörper-NMR-Spektroskopie

10. Thermische Oberflächen-Techniken

10.1 Temperatur-programmierte Reduktion (TPR)
10.1.1 Grundlagen der TPR
10.1.2 Anwendungen der TPR
10.2 Temperatur-programmierte Schwefelung (TPS)
10.2.1 Grundlagen der TPS
10.2.2 Anwendung der TPS
10.3 Temperatur-programmierte Desorption (TPD)
10.3.1 Grundlagen der TPD
10.3.2 Anwendung der TPD
10.4 Mikrokalorimetrie
10.4.1 Grundlagen der Mikrokalorimetrie
10.4.2 Anwendung der Mikrokalorimetrie

1. Einleitung
2. Strukturen von Metallkatalysatoren

            2.1 Metallkristallstrukturen

            2.2 Metalloberflächenstrukturen

            2.3 Oberflächendefekten

3. Methoden der Oberflächenchemie

            3.1 Niedrigenergie Elektronendiffraktion (LEED)

            3.2 Röntgenphotoelektronen Spektroskopie (XRD)

            3.3 Auger-Elektronenspektroskopie (AES)

            3.4 Hoch-Auflösenden Elektronen Energieverlust Spektroskopie (HREELS)

4. Elektronischenstruktur von Metallen

            4.1 Dipolschichten und Arbeitsfunktionen

            4.2 Density-of-States Diagramme

            4.3 Oberflächenenergie

            4.4 Wulff-Konstruktionen und Nanopartikelstrukturen

5. Adsorption und Super-lattice Bildung

            5.1 Einleitung zur Chemisorption

            5.2 Superlattice Strukturen

            5.3 Enthalpie der Chemisorption

            5.4 Chemisorption Beispiel: CO

            5.5 Chemisorption Beispiel: H₂

6. Reaktionsbeispiel: Ethylenhydrierung mit Pt Katalysatoren
7. Reaktionsbeispiel: Ammoniaksynthese mit Fe Katalysatoren
8. Reaktionsbeispiel: CO Oxidation mit Pd
9. Redoxaktiven Metalloxide: Mars-van-Krevelen Oxidationen mit V₂O₅
10. Surface Organometallic Chemistry

            10.1 Einleitung

            10.2 Surface Structures of SiO₂ and Al₂O₃

            10.3 Immobilization on silica and alumina

11. Methods of SOMC

            11.1 Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS)

            11.2 Festkörper NMR

            11.3 IR Spektroskopie

12. Beispiele aus SOMC

            12.1 Philipps Katalysator für Ethylen-Polymerisierung

            12.2 Alkanmetathese mit Metallhydride

13. Molekulare Heterogene Katalyse

            13.1 Einleitung

            13.2 Linkerchemie

            13.3 Bindung an der Oberfläche

            13.4 Oberflächeneffekten