Chemische Reaktionstechnik

In Kapitel 1 wird auf die Bedeutung und Rolle der Chemischen Reaktionstechnik als Fachdisziplin eingegangen. Es werden die wichtigsten übergeordneten chemisch-technischen Fragestellungen formuliert, die mit den Methoden der Chemischen Reaktionstechnik bearbeitet und beantwortet werden können. Die Lehrinhalte der Chemischen Reaktionstechnik werden strukturiert und liefern die Basis für die Gliederung des vorliegenden Lehrbuchs. Eine kurze Einführung in die Historie der Fachdisziplin machen deren Bedeutung klar.

In diesem Kapitel werden die Begriffe und Definitionen der Chemischen Reaktionstechnik eingeführt, die zum Teil auf IUPAC-Definitionen beruhen. Diese Begriffe und Definitionen werden konsequent und stringent im gesamten Lehrbuch verwendet. Sie lassen sich aufteilen in sogenannte lokale Größen, die zu jeder Zeit und an jedem Ort des Reaktors unterschiedlich sein können und in sogenannte integrale Größen, die sich durch Integration der lokalen Größen bzw. aus den Größen am Reaktorein- und ausgang ergeben. Beispiele für erstere sind z.B. die Reaktions- und Stoffmengenänderungsgeschwindigkeiten, Beispiele für letztere Umsatzgrade, Selektivitäten oder Raum-Zeit-Ausbeuten.

Kapitel 3 widmet sich der Reaktionsanalyse, die die Teildisziplinen Stöchiometrie, Thermodynamik und Kinetik umfasst. Nicht jede Reaktion, die stöchiometrisch richtig formuliert ist, ist auch thermodynamisch möglich. Und nicht jede thermodynamisch mögliche Reaktion läuft auch kinetisch ab. Die Stöchiometrie beruht auf der sogenannten Elementbilanz, die in der Praxis zur Überprüfung der Bilanzierbarkeit herangezogen wird und bei komplexen Reaktionen eine Reduzierung der Anzahl experimentell zu bestimmender Spezies (sog. Schlüsselkomponenten) erlaubt. Reaktiontechnisch relevante Informationen sind die Reaktionsenthalpien (1. Hauptsatz der Thermodynamik) und die Gleichgewichtslagen (2. Hauptsatz der Thermodynamik). Die Kinetik wird am Beispiel der wichtigsten Reaktionsklassen erläutert, indem die typischen Reaktionsgeschwindigkeitsansätze formuliert oder abgeleitet werden.

Kapitel 4 führt in die Grundlagen der Wärmeübertragung ein, die in den nachfolgenden Kapiteln für die Formulierung der Energiebilanz von beheizten oder gekühlten Reaktoren benötigt werden. So wird in diesem Kapitel auf die Mechanismen des Wärmetransports sowie auf Wärmeübergang und Wärmedurchgang eingegangen und abschließend die Auslegung von Wärmeübertragern kurz erläutert.

Kapitel 5 beschäftigt sich mit der Bilanzierung idealer Reaktoren. Zunächst wird eine Systematik der Bilanzierung vorgestellt und dann auf dieser Basis die Gleichungen der allgemeinen Stoff- und Energiebilanzen in einem kartesischen Koordinatensystem abgeleitet sowie auf andere Koordinatensysteme übertragen. Die Bilanzierung idealer Reaktoren erfolgt dann konkret durch Auswahl des jeweils relevanten Bilanzraumes und Formulierung der Bilanzgleichungen (induktiver Ansatz) oder auf Basis der allgemeinen Stoff- und Energiebilanzen (deduktiver Ansatz). In Kapitel 5 werden die Bilanzgleichungen für homogene, d.h. einphasige, Reaktionssysteme formuliert, in denen lediglich eine einzige Reaktion abläuft. Abschließend werden die idealen Reaktoren verglichen sowie Kombinationen idealer Reaktoren diskutiert.

Kapitel 6 beschäftigt sich mit der Fluiddynamik idealer und realer Reaktoren, die sich in deren Verweilzeit-Verteilungs- und Verweilzeit-Summen-Funktionen widerspiegeln. Zunächst werden die grundlegenden theoretischen Überlegungen sowie die experimentellen Ausführungen von Verweilzeitmessungen beschrieben. Sowohl für die idealen als auch für die realen Reaktoren werden die charakteristischen Verweilzeit-Modelle und -Funktionen abgeleitet und diskutiert. Abschließend wird auf die Bilanzierung realer Reaktoren auf Basis der zuvor diskutierten Verweilzeit-Modelle und –Funktionen eingegangen.

Kapitel 7 behandelt die Stoff- und Energiebilanzen idealer Reaktoren für den Fall, dass mehr als eine Reaktion abläuft. So werden nun Gleichgewichts-, Folge- und Parallelreaktionen berücksichtigt. Für Gleichgewichtsreaktionen werden die sogenannten Umsatzgrad-Temperatur- und für Folge- und Parallelreaktionen die sogenannten Selektivitäts-Umsatzgrad-Diagramme abgeleitet. Mit Hilfe dieser Diagramme kann die Auswahl des optimalen idealen Reaktors sowie die optimale Reaktionsführung diskutiert werden.

Kapitel 8 widmet sich den mehrphasigen Reaktionssystemen, nämlich den heterogen katalysierten, den Fluid-Fest- sowie den Fluid-Fluid-Reaktionen. Zunächst wird in die Bilanzierung mehrphasiger Reaktionssysteme eingeführt und gezeigt, wie Stoff- und Wärmeübergang kinetisch zu berücksichtigen sind (Makrokinetik) und wie mit Hilfe des Wirkungsgradkonzeptes Vereinfachungen der Bilanzgleichungen vorgenommen werden können. Heterogen katalysierte Reaktionen werden umfassend hinsichtlich der kinetischen Relevanz auftretender Stoff- und Wärmetransportlimitierungen diskutiert und anschließend wird ausführlich auf die Auslegung isothermer, adiabater und polytroper Festbettreaktoren eingegangen. Die Auslegung von Wirbelschichtreaktoren wird ebenfalls behandelt und verschiedene Reaktormodelle vorgestellt. Bei den Fluid-Fest- und Fluid-Fluid-Reaktionen wird insbesondere die Auswirkung von Stofftransportlimitierungen auf die Kinetik diskutiert und jeweils die Reaktorauslegung erläutert.

Als junges und aktuelles Gebiet der Reaktionstechnik wird in Kapitel 9 auf die sogenannte Mikrostrukturreaktionstechnik eingegangen und gezeigt, dass diese mit Hilfe der in den vorangegangenen Kapiteln vorgestellten reaktionstechnischen Methoden beschrieben werden kann. Insbesondere durch Einführung charakteristischer Zeitkonstanten, ist es möglich die Auslegung von Mikroreaktoren systematisch zu diskutieren. Dies erfolgt dann am Beispiel homogener bzw. homogen katalysierter und heterogen katalysierter Fluidreaktionen sowie am Beispiel von Fluid-Fluid-Reaktionen. Abschließend wird auf Ausführungsformen und Anwendungen von Mikrostrukturreaktoren eingegangen.

Polyreaktionen sind in der Technik von großer Bedeutung, so dass der Reaktionstechnik von Polyreaktionen mit Kapitel 10 ein eigenes Kapitel gewidmet wird. Prof. Klaus-Dieter Hungenberg, lange Zeit bei der BASF in der Polymerforschung tätig, ist Autor des Kapitels. Es werden zunächst für Polyreaktionen spezielle Begriffe und Definitionen wie Polymerisationsgrad- und Polymerisationsgradverteilung eingeführt sowie die Polyreaktionen nach Elementarreaktionen klassifiziert. Anschließend wird für die einzelnen Klassen von Polyreaktionen die Reaktionskinetik vorgestellt bzw. abgeleitet sowie diskutiert. Es schließt sich eine Diskussion über die Auswirkungen der Auswahl des (idealen) Reaktors auf die Polymerisation an. In einem abschließenden Kapitel werden Polymerisationsverfahren in heterogenen Reaktionssystemen wie Suspensions-/Perlpolymerisation, Fällungs-/Dispersionspolymerisation und Emulsionspolymerisation vorgestellt.