Technische Chemie

Die chemische Technik befaßt sich mit der Anwendung chemischer Reaktionen zur Herstellung verkäuflicher Produkte im technischen Maßstab. Bis vor 50 Jahren wurden neue Produktionsverfahren empirisch in mehreren Stufen entwickelt; dabei orientierte man sich überwiegend an der überlieferten Erfahrung mit ähnlichen Prozessen. Heute beruhen Planung und Durchführung der Produktion sowie die Anwendung der Produkte steigend auf wissenschaftlicher Grundlage.

Die Aufgaben der Chemischen Reaktionstechnik wurden bereits in Abschnitt 1.1 umrissen. In einem Herstellungsprozeß bildet jener Schritt, in welchem die Umsetzung der Ausgangsstoffe zum Endprodukt stattfindet, das Kernstück. Der Chemischen Reaktionstechnik fällt die Aufgabe zu, unter gegebenen Voraussetzungen (s. u.) diesen Schritt so auszuführen und zu betreiben, daß ein Produkt bestimmter Qualität mit minimalen Gesamtkosten hergestellt werden kann. Die Chemische Reaktionstechnik hat demnach festzulegen:

Die Optimierung eines chemischen Produktionsprozesses unter gegebenen Standort-, Rohstoff- und Verfahrensvoraussetzungen ist ein Aufgabengebiet von technischen Chemikern, Ingenieuren und Stellen der Kostenrechnung, meist unter Zuhilfenahme eines Rechenzentrums.

Die vorangegangenen Kapitel versuchten, den Leser qualitativ in die Chemische Reaktionstechnik einzuführen. Die folgenden Kapitel sollen nun das Rüstzeug für eine quantitative Behandlung der Reaktionstechnik bringen. Es werden die Stoff- und Wärmebilanzen für Satz- und Fließreaktoren besprochen, die zu einem funktionalen Zusammenhang der Reaktionsparameter mit der Zielgröße führen.

Prinzipiell lassen sich für ein chemisches Reaktionssystem der Konzentrationsverlauf der Reaktanden, der Temperatur- und der Druckverlauf sowie das Geschwindigkeitsfeld durch Integration der Differentialgleichungen für die Stoffbilanzen, die Energie- und die Impulsbilanz, welche dem Reaktionsgeschehen zugrunde liegen, berechnen. Die Stoff-, Energie- und Impulsbilanzen basieren auf den Sätzen von der Erhaltung der Masse, der Energie und des Impulses. Der Satz von der Erhaltung der Masse gilt nicht nur für die Gesamtmasse, sondern erstreckt sich auch auf die Masse jeder einzelnen Komponente, welche in der Reaktionsmischung vorliegt.

Das Strömungsrohr, gelegentlich auch als Rohrreaktor bezeichnet, ist der industriell wichtigste Typ kontinuierlich betriebener chemischer Reaktoren, vor allem zur Durchführung von Reaktionen unter Beteiligung gasförmiger Reaktanden (vgl. 13.3). Unter einem Strömungsrohr verstehen wir einen Reaktor, bei welchem der Reaktionsraum von einem zylindrischen Rohr gebildet wird, dessen Länge sehr viel größer als der Durchmesser ist. Die Reaktionspartner, Lösungsmittel usw. treten auf der einen Seite des Rohres ein, während auf der anderen Seite ein Gemisch, welches aus den Reaktionsprodukten, nicht umgesetzten Reaktionspartnern und allen übrigen Komponenten besteht, das Rohr verläßt. Das lange Rohr, in welches keine Rührvorrichtungen eingebaut sind, verhindert weitgehend eine Durchmischung des strömenden Mediums im Rohr. Daraus ergibt sich, daß außer der Zusammensetzung der Reaktionsmischung auch deren Temperatur, deren physikalische Eigenschaften und die Strömungsgeschwindigkeit von Ort zu Ort unterschiedlich sein können; derartige Unterschiede sind sowohl in axialer als auch radialer Richtung möglich.

Bei vollständiger („idealer“) Rückvermischung der Reaktionsmasse gilt für den kontinuierlich betriebenen Reaktor hinsichtlich der Zusammensetzung des Reak-tionsgemischs und dessen Temperatur als Funktion des Ortes dasselbe wie für den absatzweise betriebenen Reaktor (vgl. 6.1). Das heißt, die Konzentrationen aller Reaktionskomponenten, die physikalischen Eigenschaften der Reaktionsmischung sowie deren Temperatur und damit auch die Reaktionsgeschwindigkeit sind im ganzen Reaktionsvolumen räumlich konstant („isotroper“ Reaktor). Damit unterscheidet sich der kontinuierlich betriebene Reaktor mit vollständiger Rückvermischung der Reaktionsmasse vom kontinuierlich betriebenen Strömungsrohr.

Die Merkmale der kontinuierlich betriebenen Reaktortypen wurden bereits in Abschnitt 3.5.2 sowie in den Kapiteln 7 und 8 hervorgehoben. Bei allen diesen Reaktoren ist im stationären Betriebszustand die Zusammensetzung der Reaktionsmasse an jeder Stelle des Reaktionsraums zeitlich konstant. In einem idealen Strömungsrohr ändert sich die Zusammensetzung der Reaktionsmasse jedoch örtlich längs des Rohrs, während in einem kontinuierlich betriebenen Idealkessel die Zusammensetzung der Reaktionsmasse auch örtlich konstant und gleich der Zusammensetzung am Austritt aus dem Kessel ist. Demnach entsteht im Strömungsrohr — wie auch im diskontinuierlichen Betrieb — ein Produkt unter verschiedenen Konzentrationsbedingungen, im kontinuierlich betriebenen Idealkessel dagegen stets und an jedem Ort des Reaktionsraums bei der gleichen Zusammensetzung. Sofern die Qualität des Produkts von den Konzentrationsbedingungen bei dessen Bildung abhängt, wird man im kontinuierlich betriebenen Idealkessel ein gleichmäßigeres Produkt erhalten als im Idealrohr oder im Satzbetrieb. Bei Polyreaktionen dagegen hängt die Gleichmäßigkeit des Produkts bzw. die Verteilung der molaren Massen zusätzlich von der Lebensdauer der Kettenbildner ab (Kapitel 16). Bei den folgenden Betrachtungen werden diese Qualitätsgesichtspunkte für die Wahl des einen oder anderen Reaktortyps nicht berücksichtigt.

Viele technische Umsetzungen werden in Reaktoren ausgeführt, welche einerseits Merkmale des Satzbetriebs zeigen, bei denen jedoch andererseits einzelne Reaktan-den während der Umsetzung ganz oder teilweise eingespeist oder ausgetragen werden. Häufig werden für diese Art der Reaktionsführung, welche als halbkontinuierlicher Betrieb oder Teilfließbetrieb bezeichnet wird (vgl. 3.5.1.3), Rührkesselreaktoren verwendet. Deshalb werden wir die Bilanzierung auf diesen Reaktortyp beschränken.

In den vorangegangenen Kapiteln haben wir uns mit der Kinetik chemischer Reaktionen in einphasigen Systemen und mit der Reaktorberechnung für derartige Systeme befaßt. In den folgenden Kapiteln sollen nun chemische Reaktionen in mehrphasigen Systemen und die Reaktoren für solche Systeme behandelt werden.

Bei einer großen Anzahl chemischer Reaktionen kann die Geschwindigkeit des Reaktionsablaufs durch die Anwesenheit von Stoffen beeinflußt werden, welche weder Reaktionspartner noch Reaktionsprodukte sind. Derartige Stoffe, Katalysatoren genannt, können eine Reaktion beschleunigen („positive Katalysatoren“) oder auch verzögern („negative Katalysatoren“). Katalytisch beschleunigte Reaktionen haben in der chemischen Industrie seit Beginn dieses Jahrhunderts zunehmend Bedeutung erlangt, und künftige Möglichkeiten der Reaktionsführung, welche sich durch Verwendung neuer Katalysatoren ergeben mögen, lassen sich noch nicht absehen. Nach einer Schätzung werden gegenwärtig bereits 70% aller industriellen chemischen Prozesse, von den modernen Prozessen sogar 90%, mit Hilfe von Katalysatoren durchgeführt. Obwohl eine enorm große Anzahl von Einzeltatsachen über katalysierte Reaktionen bekannt ist, sind die grundlegenden Zusammenhänge zwischen der Reaktionsgeschwindigkeit und den Katalysator- sowie Substrateigenschaften immer noch nicht ausreichend geklärt. In den folgenden Abschnitten sollen heterogen katalysierte Reaktionen behandelt werden.

Von den Reaktionen, an welchen Reaktanden in verschiedenen Phasen beteiligt sind, haben diejenigen, welche zwischen fluiden und festen Reaktionspartnern stattfinden, die größte Bedeutung in der chemischen und metallurgischen Industrie. Soweit sie nicht unter die heterogen katalysierten Reaktionen fallen (s. Kapitel 13), können sie allgemein folgendermaßen formuliert werden:

Fluid-Fluid-Reaktionen nehmen auch heute noch in ihrer Bedeutung in der chemischen und verwandten Industrie zu. Dies ist vor allem auch durch deren Anwendung in den neuen Bereichen der Bioreaktionstechnik sowie der Abwasser- und Abgasreinigung begründet. Die Vielzahl der Anwendungsfälle wird aus Tabelle 15/1 ersichtlich, die aber nur einige repräsentative Beispiele wiedergeben kann¹).

Als Polyreaktionen sollen Reaktionen bezeichnet werden, in denen aus niedermolekularen Bausteinen (Monomeren) Makromoleküle (Polymere) entstehen.