Chemische Reaktionstechnik mit MATLAB und SIMULINK [Gebundene Ausgabe]

Zum einen stellt es in übersichtlicher Weise moderne mathematische Methoden der Chemischen Reaktionstechnik vor. Der Leser erfährt an Hand konkreter reaktionstechnischer Probleme die Vorteile moderner Matrixmethoden (hier spielen spärlich besetzte Matrizen eine große Rolle), er wird mit Mehrzielmethoden und Kollokationsverfahren zur Behandlung von Randwertaufgaben vertraut gemacht, er erhält eine verständliche Einführung in Differential-Algebraische-Gleichungssysteme und ihm werden die Grundlagen statistischer Methoden zur Planung und Auswertung von Versuchen vermittelt.

Zum anderen zeigt dieses Buch eine Fülle recht anschaulicher Beispiele wie die genannten mathematischen Verfahren effizient eingesetzt werden können, indem man die beiden kommerziellen Softwarepakete MATLAB und/oder SIMULINK benutzt. Der Autor überzeugt seine Leser, dass sich MATLAB hervorragend zur Formulierung, Lösung und deren Visualisierung von reaktionstechnischen Problemen eignet. Er macht deutlich, dass diese leistungsfähige Interpretersprache einen bequemen Weg für die Behandlung reaktionstechnischer Fragen darstellt. Legt man Wert auf kurze Rechenzeiten - wie sie bei komplexen Fragestellungen anzustreben sind -, so empfiehlt der Autor für die Behandlung nichtlinearer dynamischer Systeme den Einsatz von SIMULINK. Dieses compilerbasierte Softwaresystem verfügt über eine graphische Benutzeroberfläche, die leicht mit der Maus zu bedienen ist, und benutzt zur Beschreibung Signalflussdiagramme, wie man sie vom Programmieren von Analogrechnern kennt und die in der Regelungstechnik zur Darstellung dynamischer Systeme verwendet werden. Die Leistungsfähigkeit und die doch relativ einfache Bedienungsweise dieses Werkzeugs demonstriert der Autor in beeindruckender Weise am Beispiel eines konzentrationsgeregelten Kreislaufreaktors und mit der Simulation einer 40bödigen Destillationskolonne.

Schließlich und letztendlich ist dieses 400 Seiten umfassende Werk ein Buch zur Chemischen Reaktionstechnik. Es zeigt an praxisnahen Beispielen, deren Schwierigkeitsgrade mit *, ** und *** gekennzeichnet und auf der beiliegenden CD-ROM gespeichert sind, die Leistungsfähigkeit der oben genannten Programmpakete. Man spürt beim Lesen, dass der Autor die Beispiele selbst gerechnet hat und erkennt auf Schritt und Tritt die Sorgfalt bei der Formulierung, Lösung und Darstellung der Probleme. Erfreut stellt man fest, dass einige Ungenauigkeiten in gängigen Lehrbüchern der Chemischen Reaktionstechnik korrigiert werden. Hierzu zählen z. B. Formulierung der Wärmebilanz, der Zusammenhang zwischen den Reaktionsgeschwindigkeiten für Hin- und Rückreaktion und der Gleichgewichtskonstanten, oder der fett gedruckte Hinweis, dass die Reaktionsgeschwindigkeitsgleichung eine algebraische Gleichung aber keine Differentialgleichung ist. Der Rückgriff auf die Stefan-Maxwell-Gleichungen und das Staub-Gas-Model (dusty gas model) bei der Behandlung von Transportproblemen im festen Katalysator geht über die übliche Darstellung in Lehrbüchern hinaus.

Das Buch beinhaltet 7 Kapitel. Nach einer äußerst kurzen Einleitung und einem Aufriss von MATLAB und SIMULINK, der nicht die entsprechenden Handbücher, oder, besser noch, das Einarbeiten am Computer ersetzen kann und soll, folgt ein Kapitel, welches die drei Säulen der Chemischen Reaktionstechnik kurz darstellt: Stöchiometrie, Thermodynamik und Reaktionskinetik. Daran schließt sich an ein Kapitel über Rührkesselreaktoren, gefolgt von zwei Kapiteln über Festbettreaktoren (einphasige und zweiphasige Modelle). Den Abschluss bildet ein Kapitel über die Planung und Auswertung von reaktionstechnischen Experimenten. Erfreulich ist das mit 40 Zitaten kurz gehaltene Literaturverzeichnis, da es gezielt auf die wesentlichen Literaturstellen verweist.

Das Buch von Arno Löwe macht Mut, die beiden Softwarepakete MATLAB und SIMULINK bei der Lösung reaktionstechnischer Probleme einzusetzen. Es besticht durch die Sorgfalt, mit der Probleme bis ins letzte Detail geklärt und gelöst werden. Die Sprache ist prägnant und der Stil äußerst erfreulich. Der Leser wird immer wieder aufgefordert, das eine oder andere Problem zuerst selbständig zu lösen, bevor er auf die Lösung zurückgreift. Es wendet sich an Reaktionstechniker, die als Wissenschaftler in Forschungseinrichtungen oder als Ingenieur- und Naturwissenschaftler in der Industrie mit dem wissenschaftlichen Rechnen befasst sind. Der Charme des Buches liegt in der Ausgewogenheit, mit der die mathematische Formulierung eines Problems, die Beschaffung der notwendigen Daten, die Auswahl der geeigneten Lösungsmethode, die Programmierung der Modellgleichungen und des Lösungsverfahrens, die Ausführung der Simulationsrechnungen und die Interpretation der Ergebnisse behandelt werden. Das Buch sollte auf jeden Fall Bestandteil einer gut sortierten Handbibliothek zur Chemischen Reaktionstechnik sein.

Des weiteren geht das Buch weit über die gängigen Themenbereiche von Büchern zur chemischen Reaktionstechnik hinaus. Themen wie die Betrachtung von Transport Problemen mittels der Stefan-Maxwll Gleichungen und des Staub-Gas-Modells sucht man in anderen Werken vergebens. Für den Anwender der z.B. auf der Suche nach Informationen zur dynamischen Simulation eines Festbettreaktors ist, ist dieses Buch Gold wert. Es bleibt eben NICHT bei der einfachen Erstellung der Bilanzgleichungen für den instationären Fall stehen. Viel mehr wird der Leser gleich mit den Tools für die Lösung vertraut gemacht. Er erfährt von der Diskretisierung der partiellen Differential Gleichungen mit Hilfe der finiten Volumen Methode und der Behandlung der resultierenden Differential Gleichungen mit der Linien Methode. Es geht eben nicht allein um die Theorie, sondern um den Weg zu deren Umsetzung.

Davon unbenommen bleibt die Tatsache, daß es sich nicht um ein einfaches Buch handelt. Es ist ein Buch, welches eine konzentrierte und detailierte Auseinandersetzung mit dem Thema "Chemische Reaktionstechnik" ermöglicht, dem Leser jedoch auch abverlangt sich der Herausvorderung "Chemische Reaktionstechnik" zu stellen. Der Gewinn für den Leser nach der aktiven Auseinandersetzung mit diesem Buch ist jedoch imens. Fazit: Das Buch ist für den Anwender, der z.B. als Simulations Ingenieur mit dem Thema Chemische Reaktionstechnik befaßt ist, vielleicht schwerer zugänglich als viele Standard Werke aber auch ungleich wertvoller.