Skip to main content
main-content

Über dieses Buch

Dieses neue Lehrbuch stellt die Grundlagen zur Berechnung chemischer Reaktoren in einer kompakten und modernen Struktur vor. Es bietet sowohl im Studium als auch für die Berufspraxis ein solides Fundament und ist für das Selbststudium geeignet. Die grundlegenden Konzepte der Chemischen Reaktionstechnik werden anhand allgemeingültiger mathematischer Beschreibungen eingeführt und mit einer Vielzahl illustrativer und vertiefender Beispiele ergänzt. Dabei werden auch komplexere Fragestellungen behandelt, die numerische Lösungsmethoden erfordern und somit die Brücke in die Berufspraxis schlagen. Damit bietet das Buch auch eine Basis für die mathematische Modellierung und numerische Simulation realer, mehrphasiger Reaktoren, die ein Grundpfeiler für eine moderne Tätigkeit von Reaktionstechnikern in der digitalisierten Berufspraxis ist.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 1. Aufgaben der Chemischen Reaktionstechnik

Zusammenfassung
Chemische Reaktionen werden im industriellen Maßstab in der Regel mit dem Ziel durchgeführt, verkaufsfähige Endprodukte oder Zwischenprodukte zur Weiterverarbeitung herzustellen. Darüber hinaus sind aufgrund gesetzlicher Vorschriften häufig chemische Reinigungsschritte erforderlich, um die Konzentrationen bei der Produktion anfallender problematischer Substanzen in Abwasser, Abluft oder festen Abfällen zu verringern. Schließlich werden chemische Reaktionen auch im Labormaßstab durchgeführt, um Daten zur Charakterisierung der Reaktion oder des zu untersuchenden Reaktionsapparates (Reaktor) zu gewinnen. In vielen Fällen können chemische Verfahren in die Schritte Aufbereitung der Ausgangsstoffe, Stoffumwandlung im Reaktor und Aufarbeitung der Reaktionsmischung unterteilt werden, wie Abb. 1.1 schematisch verdeutlicht [1].
Robert Güttel, Thomas Turek

Grundlagen

Frontmatter

Kapitel 2. Übersicht zu den Grundlagen

Zusammenfassung
In diesem ersten Teil des Lehrbuches werden die Grundlagen für die Berechnung chemischer Reaktionsapparate zusammengestellt. Unabhängig von den Details der im Reaktor ablaufenden chemischen Reaktionen und der spezifischen Ausgestaltung des Reaktionsapparates sind eine Reihe von grundlegenden Fragestellungen zu betrachten, die in Abb. 2.1 schematisch veranschaulicht sind.
Robert Güttel, Thomas Turek

Kapitel 3. Stöchiometrie und Reaktionsfortschritt

Zusammenfassung
In der chemischen Reaktionstechnik wird unter Stöchiometrie die Lehre von den Gesetzmäßigkeiten verstanden, denen die Zusammensetzung eines Reaktionsgemisches unterliegt. Als Reaktionsmischung wird die Gesamtmenge aller Stoffe bezeichnet, die sich in der Reaktionszone eines chemischen Reaktors befinden. Alle hier zu diskutierenden Gesetzmäßigkeiten beruhen letztlich auf der Tatsache, dass sich beim Ablauf einer chemischen Reaktion die Anzahl der Atome der beteiligten Elemente nicht ändert.
Robert Güttel, Thomas Turek

Kapitel 4. Thermodynamik

Zusammenfassung
Im folgenden Kapitel werden die thermodynamischen Grundlagen für die Berechnung reaktionstechnischer Fragestellungen in knapper Form behandelt. Ausführlichere Darstellungen finden sich in Lehrbüchern der Physikalischen Chemie (z. B. [27]) und Thermodynamik [28] sowie im Standardwerk der Chemischen Reaktionstechnik von Emig und Klemm [9]. Insbesondere wird die Darstellung auf das Verhalten idealer Systeme beschränkt, bei denen sich die Zusammensetzung der Reaktionsmischung mit Stoffmengenanteilen oder Partialdrücken beschreiben lässt und auf eine Berücksichtigung des realen Verhaltens von reinen Stoffen oder Mischungen mithilfe von Fugazitäten oder Aktivitäten verzichtet warden kann.
Robert Güttel, Thomas Turek

Kapitel 5. Reaktionskinetik

Zusammenfassung
Zur Beschreibung des Reaktionsfortschritts in einem Reaktionsgemisch und damit letztlich auch zur Auslegung eines chemischen Reaktors sind Informationen über die Geschwindigkeit der ablaufenden Reaktionen unerlässlich. Es wird dabei zwischen homogenen und heterogenen Reaktionen unterschieden. Bei homogenen Reaktionen liegen alle Reaktanden in einer Phase vor, die üblicherweise gasförmig oder flüssig ist. Bei heterogenen Reaktionen ist mehr als eine Phase beteiligt.
Robert Güttel, Thomas Turek

Kapitel 6. Bilanzierung chemischer Reaktoren

Zusammenfassung
Das Aufstellen einer Bilanz verlangt die Festlegung eines Bilanzraumes im thermodynamischen Sinn, d. h. die Abgrenzung eines Systems von der Umgebung mit Hilfe eines gedachten Randes, der Bilanzgrenze. Dieser Bilanzraum kann je nach der verfolgten Absicht unterschiedlich groß gewählt werden.
Robert Güttel, Thomas Turek

Ideale einphasige Reaktoren

Frontmatter

Kapitel 7. Übersicht zu idealen einphasigen Reaktoren

Zusammenfassung
In diesem zweiten Teil des Lehrbuches werden Reaktoren mit einer einzigen fluiden Phase als Reaktionsmischung betrachtet, die sich strömungstechnisch ideal verhalten. Dazu gehören ideal vermischte Rührkesselreaktoren mit ihren unterschiedlichen Betriebsweisen, das rückvermischungsfreie Strömungsrohr mit idealem Kolbenströmungsprofil sowie Kombinationen dieser Reaktortypen. Dabei werden sowohl isotherme Reaktionsführungen als auch Temperatureffekte bei Reaktionen mit nennenswerter Reaktionswärme ausführlich betrachtet.
Robert Güttel, Thomas Turek

Kapitel 8. Der ideale diskontinuierlich betriebene Rührkesselreaktor

Zusammenfassung
In diesem Kapitel wird zunächst ein diskontinuierlich betriebener, perfekt gemischter Rührkesselreaktor (engl. batch reactor) betrachtet. Wegen der Annahme der idealen Durchmischung treten keine örtlichen Konzentrations- und Temperaturgradienten auf und das gesamte Volumen der Reaktionsmischung kann als Bilanzraum (Kontrollvolumen) betrachtet werden, was die mathematische Beschreibung dieses Reaktortyps vereinfacht. Andererseits kann sich im geschlossenen System kein stationärer Zustand einstellen, sodass die Reaktoren zwangsläufig ein zeitabhängiges Verhalten aufweisen und dynamische Bilanzen betrachtet werden müssen.
Robert Güttel, Thomas Turek

Kapitel 9. Der ideale kontinuierliche Rührkesselreaktor

Zusammenfassung
Der ideale kontinuierliche Rührkesselreaktor (CSTR, englisch Continuously Stirred Tank Reactor) gehört zur Familie der idealen Rührkesselreaktoren, die sich durch eine perfekte Vermischung der Reaktionsmasse auszeichnen. Das bedeutet, dass keine Gradienten (insb. der Temperatur oder der Konzentrationen) im homogenen Reaktionsvolumen vorliegen und das gesamte Volumen der Reaktionsmischung als Bilanzraum (Kontrollvolumen) betrachtet werden kann. Für die mathematische Beschreibung sind demnach die Temperatur und die Konzentrationen am Reaktoraustritt und im Reaktionsvolumen identisch. Allerdings unterscheiden sich die Werte von den Eintrittsbedingungen, sofern im Rührkesselapparat eine Reaktion stattfindet.
Robert Güttel, Thomas Turek

Kapitel 10. Der ideale halbkontinuierliche Rührkesselreaktor

Zusammenfassung
Der halbkontinuierlich betriebene Rührkesselreaktor stellt eine Mischform aus den bereits behandelten Typen des diskontinuierlich und kontinuierlich betriebenen Rührkessels dar. Beim halbkontinuierlichen Betrieb (englisch semibatch operation) eines Rührkessels werden bestimmte Komponenten im Reaktor zunächst vorgelegt (Vorlagezeit tv, vgl. Abb. 10.1 und 10.2).
Robert Güttel, Thomas Turek

Kapitel 11. Der ideale Rohrreaktor

Zusammenfassung
Rohrreaktoren (Strömungsrohre) eignen sich wegen ihrer einfachen Bauweise, der Möglichkeit zum kontinuierlichen Betrieb und der flexiblen apparativen Gestaltung für nahezu alle Arten von chemischen Reaktionen. Insbesondere Großprodukte der chemischen Industrie werden durchweg in Rohrreaktoren hergestellt. Beim idealen Rohrreaktor (PFTR, englisch Plug Flow Tubular Reactor) wird vereinfachend angenommen, dass eine sogenannte Pfropfströmung (Kolbenströmung) vorliegt. Die Propfströmung ist durch eine ideale Durchmischung in radialer Richtung und keinerlei Rückvermischungseffekte in (axialer) Strömungsrichtung gekennzeichnet.
Robert Güttel, Thomas Turek

Kapitel 12. Kombination von idealen Reaktoren

Zusammenfassung
Eine ideale Rührkesselkaskade (Abb. 12.1) besteht aus mehreren in Reihe geschalteten kontinuierlichen, idealen Rührkesselreaktoren (vgl. Kapitel 9). Das insgesamt bereitgestellte Reaktorvolumen VR wird somit auf K einzelne Rührkessel aufgeteilt, die unabhängig voneinander gestaltet werden können. Dies ermöglicht es, verschiedene Reaktionstemperaturen zu realisieren, die Wärmeübertragungsfläche zu vergrößern, verschiedene Reaktordimensionen zu wählen, Seiteneinspeisungen vorzunehmen oder das Verweilzeitverhalten zu verbessern.
Robert Güttel, Thomas Turek

Reale einphasige Reaktoren

Frontmatter

Kapitel 13. Übersicht zu realen einphasigen Reaktoren

Zusammenfassung
In diesem dritten Teil des Lehrbuches werden zunächst Reaktoren betrachtet, die eine einzige fluide Phase als Reaktionsmischung enthalten, sich strömungstechnisch aber nichtideal, d. h. anders als die bisher betrachteten ideal rückvermischten Rührkesselreaktoren oder das rückvermischungsfreie Strömungsrohr mit idealem Kolbenströmungsprofil verhalten (Kapitel 14). Wie Abb. 13.1 verdeutlicht, wird dabei zum einen das Verweilzeitverhalten auf der makroskopischen Reaktorskala behandelt. Abhängig von den Strömungsbedingungen im Reaktor und den Eigenschaften der Reaktionsmischung können sich die individuellen Fluidelemente für sehr unterschiedliche Zeiten im Reaktor aufhalten, was offensichtlich einen Einfluss auf die ablaufenden chemischen Reaktionen haben kann. Dieses makroskopische Verweilzeitverhalten kann durch dynamische Systembefragungen des kontinuierlich durchströmten Reaktionsapparates mithilfe eines Tracers experimentell bestimmt und durch geeignete mathematische Modelle quantitativ beschrieben werden.
Robert Güttel, Thomas Turek

Kapitel 14. Nichtideales Strömungsverhalten

Zusammenfassung
Bislang wurden der Reaktorberechnung zwei ideale Strömungsmuster zugrundegelegt: Die perfekte Vermischung in einem idealen Rührkesselreaktor und die Pfropf- oder Kolbenströmung ohne jegliche Rückvermischung in einem idealen Rohrreaktor. Reale Reaktoren können jedoch von diesen idealen Vorstellungen auf verschiedenen Skalen abweichen. Mit den heute zur Verfügung stehenden numerischen Werkzeugen für die Strömungssimulation (Computational Fluid Dynamics, CFD) ist eine zuverlässige Berechnung lokal verteilter Größen wie Geschwindigkeit, Druck oder Temperatur in realen Reaktoren technischer Baugröße durchaus möglich.
Robert Güttel, Thomas Turek

Kapitel 15. Reale einphasige Reaktoren

Zusammenfassung
Reale Reaktoren weisen eine Verweilzeitverteilung auf, die von derjenigen idealer Reaktoren mehr oder weniger stark abweicht. Für die Berechnung eines realen Reaktors müssen deshalb nicht nur die Material- und Energiebilanzen gelöst werden, sondern auch das Verweilzeitverhalten ist in geeigneter Weise zu berücksichtigen. Der übliche Weg ist, dass zur Beschreibung des Verweilzeitverhaltens eines der in Kapitel 14 behandelten Strömungsmodelle verwendet wird, mit deren Hilfe dann die interessierenden Konzentrationen und Temperaturen im realen Reaktor berechnet werden können.
Robert Güttel, Thomas Turek

Mehrphasige Reaktoren

Frontmatter

Kapitel 16. Übersicht zu mehrphasigen Reaktoren

Zusammenfassung
In diesem vierten Teil des Lehrbuchs werden Reaktoren betrachtet, in denen mehrere Phasen (gasförmig, flüssig, fest) vorliegen, die durch Wärme- und Stofftransportprozesse miteinander gekoppelt sind. Zur Auslegung von Mehrphasenreaktoren ist eine mathematische Beschreibung der ablaufenden Vorgänge erforderlich, was im Allgemeinen zu einem System nichtlinear gekoppelter, partieller Differentialgleichungen führt. Dessen Lösung erfordert in der Regel numerische Methoden, die allerdings schon bei durchschnittlichen Detailgraden in Bezug auf Konvergenz und Rechenzeit an ihre Grenzen stoßen.
Robert Güttel, Thomas Turek

Kapitel 17. Heterogenkatalytische Reaktionen

Zusammenfassung
Der Begriff heterogenkatalytische Reaktionen bezeichnet eine Klasse von Mehrphasenreaktionen, die aus mindestens einer fluiden Phase besteht und bei der die chemische Reaktion an einem festen Katalysator stattfindet. Es liegt also ein heterogenes System mit einer Grenzfläche zwischen der fluiden Phase und der Katalysatorphase vor, über die Material und Energie transportiert werden müssen. Der Katalysator besteht in den meisten Fällen aus einem porösen Festkörper unterschiedlichster Formen, z. B. kugelförmige Pellets, Ringe oder Wabenkörper.
Robert Güttel, Thomas Turek

Kapitel 18. Nicht-katalytische Fluid-Fluid-Reaktionen

Zusammenfassung
Nicht-katalytische Fluid-Fluid-Reaktionen sind durch eine Grenzfläche zwischen zwei nicht mischbaren, fluiden Phasen gekennzeichnet. Da die chemische Reaktion in einer der beiden fluiden Phasen stattfindet, muss Material und Energie über diese Phasengrenzfläche transportiert werden. Die Klasse nicht-katalytischer Fluid-Fluid-Reaktionen wird hier am Beispiel stöchiometrischer Gas–Flüssig-Reaktionen behandelt, bei denen die chemische Reaktion.
Robert Güttel, Thomas Turek

Kapitel 19. Nicht-katalytische Fluid-Feststoff-Reaktionen

Zusammenfassung
Nicht-katalytische Fluid-Feststoff-Reaktionen umfassen alle chemischen Umsetzungen, bei denen ein Reaktand aus einer fluiden Phase stöchiometrisch mit einem festen Reaktanden reagiert. Bei dieser Reaktion wird der feste Reaktand somit im Unterschied zu heterogenkatalytischen Fluid-Feststoffreaktionen verbraucht und ein Produkt in einer fluiden Phase und/oder ein festes Produkt entsteht. Insbesondere Gas-Feststoff-Reaktionen spielen in vielen bedeutsamen technischen Prozessen eine große Rolle.
Robert Güttel, Thomas Turek

Backmatter

Weitere Informationen