Handbuch Chemische Reaktoren

Die Geschichte der Reaktortechnologie begleitet den Menschen seit seinen ersten Werkzeugentwicklungen und kulturellen Handlungen. Erste schriftliche Überlieferungen über stoffliche Umwandlungen sind aus den Hochkulturen in Mesopotamien, Ägypten und China bekannt. Von Alexandria wurde das Prozesswissen über Damaskus, Bagdad und Spanien nach Europa überliefert und dort während des Mittelalters zur Blüte in der Erz- und Metallverarbeitung sowie der Textilindustrie entwickelt. Die Industrialisierung schaffte eine Nachfrage nach anorganischen Produkten, während die aufkommende Teerchemie eine Vielzahl organischer Verbindungen ermöglichte. Die Reaktortechnologie entwickelte sich mit größeren Produktionsmengen, wie auch technischen Möglichkeiten von hohen Drücken und Temperaturen. Von 1850 bis 1940 wurden sehr viele neue Technologien eingeführt, die bis heute optimiert wurden. Digitale Technologien und erneuerbare Rohstoffe werden die zukünftige Entwicklung bestimmen.

Die Hauptaufgaben der Chemischen Reaktionstechnik bestehen in der Auswahl und Auslegung chemischer Reaktoren sowie in der modellmäßigen Beschreibung einer wirtschaftlich optimalen technischen Reaktionsführung unter Einhaltung der Randbedingungen aus Sicherheit, UmweltschutzUmweltschutz, Energie- und Rohstoffeinsparung. Für die Lösung reaktionstechnischer Aufgaben und Anforderungen stehen ihr Methoden und Techniken der mathematischen ModellierungModellierung und SimulationSimulation sowie der statistischen VersuchsplanungVersuchsplanung und OptimierungOptimierung zur Verfügung.

Im Interesse einer klaren Verständigung und objektiver Unterscheidungsmerkmale bei der Behandlung von technisch-chemischen Prozessen und Reaktoren werden die wichtigsten Grundbegriffe und Definitionen der Chemischen Reaktionstechnik erläutert und die chemischen Reaktoren in Bezug auf stoffwandelnde, fluiddynamische und thermische Prozesse qualitativ charakterisiert. Darüber hinaus werden die quantitative Charakterisierung der ReaktionsmasseReaktionsmasse und deren Änderung im Verlaufe einer chemischen Stoffwandlung sowie die für die Auslegung von Reaktoren wichtigen reaktionstechnischen BeurteilungsgrößenBeurteilungsgrößen wie UmsatzUmsatz, AusbeuteAusbeute und SelektivitätSelektivität beschrieben.

Adsorptionsvorgänge an Katalysatoroberflächen Für die Lösung reaktionstechnischer Aufgabenstellungen sind neben der stöchiometrischen Bilanz der Reaktionsabläufe auch die Kenntnisse von thermodynamischen und kinetischen Gesetzmäßigkeiten chemischer Umsetzungen unabdingbar. Beim Auftreten eines chemischen Gleichgewichts wird der Reaktionsfortschritt durch die Thermodynamik limitiert. Die Kinetik chemischer Reaktionen erfasst den Reaktionsfortschritt als Funktion der Zeit. Das Erstellen eines Reaktionsmodells ist insbesondere bei komplexen Reaktionen, wie beispielsweise in der heterogenen Katalyse, unumgänglich. Dabei ist nicht selten die Kinetik der Makrokinetik molekularen Transportvorgänge zu berücksichtigen. Molekulare Stoff- und Wärmetransportvorgänge Deshalb zählen die Beschreibung der Filmdiffusion, der Diffusion in porösen Katalysatoren sowie der Wärmeleitung und des-übergangs zu den Grundlagen der Chemischen Reaktionstechnik.

Fußend auf den Grundlagen der Stöchiometrie, der Thermodynamik, der Reaktionskinetik sowie den Gesetzen des Stoff- und Wärmetransports stellt die Chemische Reaktionstechnik die experimentellen und theoretischen Daten sowie das mathematische Instrumentarium zur Auslegung chemischer Reaktoren bereit. Den Ausgangspunkt einer jeden Reaktorauslegung bilden die Stoff- und Wärmebilanzen im vorgegebenen Bilanzraum. Der Reaktorberechnung liegen Differenzialgleichungen zugrunde, die auf Erhaltungssätzen für Masse, Energie und Impuls basieren. Daraus abgeleitet können Auslegungsgleichungen für ideale oder reale Reaktoren aufgestellt werden.

In der chemischen Reaktionstechnik muss für die Durchführung einer bestimmten chemischen Reaktion nicht nur ein Reaktortyp ausgewählt, sondern auch oftmals unter Vorgabe der Betriebsbedingungen und Produktionshöhe die Reaktorgröße bestimmt bzw. Aussagen über sein Betriebsverhalten vorgelegt werden. Zur Modellierung der Stoffänderung in chemischen Reaktoren und deren Berechnung werden die einschlägigen Stoff- und WärmebilanzgleichungenStoff- und Wärmebilanzgleichungen verwendet. Darauf aufbauend werden mathematische Modelle und AuslegungsgleichungenAuslegungsgleichungen für drei ReaktorgrundtypenReaktorgrundtypen (diskontinuierlicher und kontinuierlicher RührkesselRührkessel sowie StrömungsrohrreaktorStrömungsrohrreaktor) unter Berücksichtigung strömungstechnisch idealer und isothermer Verhältnisse abgeleitet. ModellbildungModellbildung und Auslegung idealisierter Reaktoren führen insgesamt zum besseren Verständnis der Wirkungsweise von Reaktoren und ermöglichen es, die dargelegten Berechnungsmethoden zur Behandlung realer Reaktoren anzuwenden.

Für die Entwicklung und Optimierung verfahrenstechnischer Anlagen in der stoffwandelnden Industrie stellt die kinetische Modellierung bei der quantitativen Beschreibung des zeitlichen Ablaufes komplexer Reaktionen ein unabdingbares Hilfsmittel dar. Die klassischen Modellberechnungen basieren in der Regel auf dem „besten“ experimentellen Wert und werden durch das Experimentieren am Modell unter Anwendung computergestützter Methoden ergänzt. Gegenwärtig rückt der Einsatz nichtklassischer Lösungsmethoden zur kinetischen Auswertung chemischer Reaktionen in den Mittelpunkt des wissenschaftlichen und praktischen Interesses. Diese sind darauf gerichtet, redundanzfreie Modellstrukturen komplexer Reaktionssysteme mithilfe der Intervall- und Sensitivitätsanalyse kinetischer Modellparameter zu formulieren.

Chemische Prozesse können durch nichtlineare Differentialgleichungen beschrieben werden, typischerweise mit unbekannten Modellparametern. Durch Parameterschätzung können die Modelle an experimentelle Daten angepasst werden. Die geschätzten Parameter sind mit statistischen Unsicherheiten behaftet, die von der Art der Experimente abhängen und bereits vor deren Durchführung berechnet und durch optimale Versuchsplanung minimiert werden können. In diesem Beitrag werden diese Optimierungsprobleme formuliert, Methoden zur Lösung diskutiert und ihre Wirksamkeit durch Anwendung auf ein chemisches Reaktionssystem demonstriert.

Das Stabilitätsverhalten und die Dynamik wird für ideale Rührkesselreaktoren sowie für poröse Katalysatoren und katalytische Festbettreaktoren auf Basis der Stoffmengen- und Energiebilanzen schlaglichtartig illustriert. Unter vereinfachenden Annahmen liegt der Schwerpunkt auf dem grundsätzlichen Verständnis, dem Überblick über die wichtigsten Phänomene sowie der Darstellung von Analogien zwischen den betrachteten reaktionstechnischen Systemen. Für die wesentlichen Aspekte wird der Bogen zur Bedeutung in der Praxis geschlagen.

In diesem Kapitel werden zentrale Themenstellungen zur Erzielung des sicheren Reaktorbetriebs behandelt. Ausgehend von konzeptionellen Maßnahmen, die während der Prozessentwicklung und Anlagenplanung zu beachten sind, werden zentrale thermoanalytische Messmethoden, die Stabilität von Stoffen und Wechselwirkungen dargestellt. Hinsichtlich der Gestaltung der sicherheitsorientierten Prozessführung werden prozessbezogene Kriterien benannt. Zur Auslegung der zum Einsatz kommenden Schutzmaßnahmen „Druckentlastung“ und „Begrenzung des Reaktandenpotenzials“ werden detaillierte Angaben mitgeteilt. Abschließend folgt eine Vorstellung zentraler Techniken und Methoden zur Durchführung der Sicherheits- und Risikoanalyse.

In der Verfahrenstechnik werden Automatisierungsstrukturen mit Rohrleitungs- und Instrumentierungsfließbildern dargestellt. Nach der Vorstellung verschiedener Regelungsstrukturen wird ihre Anwendung auf die gebräuchlichen, kontinuierlich betriebenen, chemischen Reaktortypen gezeigt und erklärt. Die einfachen Schaltfunktionen können im R&I-Fließbild dargestellt werden, jedoch sequenzielle Steuerungen nicht. Die Ablaufsteuerung wird exemplarisch für die Abwasserneutralisation im Batchbetrieb vorgestellt.

Rührreaktoren sind die am häufigsten anzutreffenden chemischen Reaktoren. Die Modellvorstellung des idealen Rührkessels trifft allerdings wenn überhaupt nur auf Apparate im Labormaßstab zu. Technische Reaktoren zeigen dagegen Konzentrations- und Temperaturunterschiede, die wiederum für die chemischen Reaktionen von Bedeutung sein können. Diese Tatsache führt bei der Maßstabsübertragung vielfach zu geringeren Ausbeuten und Selektivitäten im Produktionsreaktor. Für das Zusammenspiel von chemischer Reaktion und Mischvorgängen sind neben der Reaktionskinetik Charakteristika des Mischers wie Homogenisieren, Wärme- und Stofftransport sowie die Spezifika eines mehrphasigen Reaktorbetriebs essenziell.

MaßstabsvergrößerungMaßstabsvergrößerung bzw. Scale-upScale-up eines chemischen Reaktors erfolgt im Prozess der Übertragung eines verfahrenstechnischen Konzeptes auf eine Produktionsanlage, das zuvor im Labor- bzw. Technikumsmaßstab erfolgreich getestet wurde. Somit ist die Maßstabsvergrößerung chemischer Reaktoren ein integraler Bestandteil jeder Verfahrensentwicklung. In diesem Kapitel wird die Methodik der Maßstabsvergrößerung bei neu zu entwickelnden Verfahren vorgestellt. Dabei wird gezeigt, dass die Reaktorentwicklung je nach angestrebter Produktionsmenge in der praktischen Vorgehensweise deutlich divergiert. Man unterscheidet daher im Hinblick auf die Methodik bei der Reaktorentwicklung zwischen dem Bereich der Bulkchemie, mit Beispielen für kontinuierlich betriebene Festbett- und Wirbelschichtreaktoren für heterogene Gasphasenreaktionen, sowie dem Bereich der Feinchemie mit absatzweise betriebenen Rührkesselreaktoren für Flüssigphasenreaktionen.

Die Entwicklung nachhaltiger Verfahren ist stets eine sehr komplexe Aufgabe, bei der eine Vielzahl unterschiedlicher Aspekte berücksichtigt werden müssen. Das ideale Verfahren ist sowohl ressourcenschonend, abfallarm, effektiv, gesellschaftlich akzeptiert als auch in Übereinstimmung mit gesetzlichen Regelungen und – insbesondere – wirtschaftlich. Um diesem Ziel möglichst nahe zu kommen, muss die Entwicklungsarbeit einem bestimmten Schema folgen. Im folgenden Kapitel werden daher die grundlegenden Etappen der Verfahrensentwicklung an einem Beispiel, dem MagnetoRec-Prozess, nachvollzogen. Dabei handelt es sich um ein neues Recyclingverfahren, das in den vergangenen Jahren entwickelt wurde, um Seltene Erden aus Permanentmagneten zurückzugewinnen. Damit dieses Verfahren unter den schwierigen Bedingungen des Seltenerdmarktes bestehen kann, wurde im MagnetoRec-Prozess eine neue unkonventionelle Methode eingeführt: Die Feststoffchlorierung. Hinter diesem Begriff verbirgt sich eine trockene Aufschlussmethode, die ohne Mineralsäuren auskommt und keine sauren Abwässer erzeugt. Im Vergleich zum Stand der Technik kommen Verfahren, die auf diese neue Methode zurückgreifen, mit weniger Chemikalien aus, generieren geringere Kosten und erzeugen weniger Abfall. Die Kehrseite unkonventioneller Methoden besteht jedoch im bedeutend höheren finanziellen und technischen Risiko, die eine Umsetzung in die industrielle Produktion erschweren. Durch das Wissen um das „Paradoxon der Verfahrensentwicklung“ und das konsequente Gegensteuern lässt sich am MagnetoRec-Prozess anschaulich zeigen, wie unnötige Arbeiten auf dem Weg zu einem nachhaltigeren Verfahren vermieden und Risiken effektiv verringert werden können.

Chemische Reaktoren sind ein zentraler Baustein industrieller Prozesse zur Herstellung chemischer Produkte. Da neben den Reaktoren auch weitere Systeme zur Stofftrennung, sowie zur Stoff- und Energieintegration innerhalb des Gesamtprozesses entlang der Prozesskette notwendig sind, ergeben sich starke Abhängigkeiten zwischen den verschiedenen Teilsystemen. Dabei hat das Design des Reaktionssystems große Bedeutung und Einfluss auf die thermodynamische, ökonomische und ökologische Effizienz des Gesamtprozesses. Um im Spannungsfeld dieser Kriterien optimale Lösungen zu finden, stehen verschiedene Ansätze zur Synthese, Analyse, Bewertung und Optimierung des Prozessdesigns zur Verfügung. Dabei können wissensbasierte Ansätze, thermodynamische Methoden und mathematische Optimierungsalgorithmen angewendet werden. Vor diesem Hintergrund bietet die Exergieanalyse als einzige Methode die Möglichkeit den Prozess unter Beachtung der Einheit von Stoff- und Energieumwandlung entlang des gesamten Lebenszyklus zu betrachten und dabei auch wirtschaftliche und ökologische Betrachtungen zu integrieren.

In einem Chemiekonzern erfolgt die Festlegung des Marktpreises über einen Zuschlag auf die Selbstkosten des Produktes. Diese setzen sich aus den Herstellkosten (Rohstoffe, Energie, Abschreibung, Personal) sowie den Einzel- und Gemeinkosten des Unternehmens zusammen. Kennzeichnend für die Chemie sind die relativ hohen Herstellkosten sowie niedrige Vertriebskosten. Die Summe der Produktverkäufe des Konzerns ergeben die Umsatzerlöse. Zur Ermittlung des Jahresüberschusses müssen von diesen Erlösen alle Kosten subtrahiert werden. Neben den Zinsen und Steuern gehören zu den Kostenblöcken die Herstellung, Verwaltung, F&E sowie der Vertrieb. Diese Werte veröffentlichen Kapitalgesellschaften nach Ablauf des Geschäftsjahres in einer Gewinn- und Verlustrechnung.

Das vorliegende Kapitel befasst sich mit nicht-idealen, kontinuierlich betriebenen Reaktoren. Solche realen Reaktoren können oftmals nicht mit ausreichender Genauigkeit durch die Modelle der idealen Reaktoren beschrieben werden. Daher müssen spezielle Modelle entwickelt werden, mit deren Hilfe der Strömungszustand und insbesondere der Umsatz ermittelt werden können. Entscheidendes Kriterium für die Qualität dieser Modelle ist die genaue Wiedergabe des Verweilzeitverhaltens, das durch Vermischungseffekte, wie zum Beispiel Wirbel, Turbulenz oder Diffusion, beeinflusst wird.

Festbettreaktoren sind der am häufigsten eingesetzte Reaktortyp in der chemischen und petrochemischen Industrie. Auch für die mobile und stationäre Abgasreinigung kommen Festbettreaktoren zum Einsatz. Allen Festbettreaktoren ist gemeinsam, dass ein Feststoff, in der Regel ein Katalysator, Katalysator im Reaktor Reaktor räumlich fixiert ist, und von der Reaktionsmischung durch- oder überströmt wird. Das vorliegende Buchkapitel gibt einen Überblick über diesen wichtigen Reaktortyp, wobei der Fokus auf katalytischen Festbettreaktoren für Gasreaktionen liegt. Nach einer kurzen Einführung werden katalytische Festbettreaktoren nach der Art der beteiligten Phasen, der Struktur der Katalysatorphase und der Temperaturführung klassifiziert. Das Funktionsprinzip der verschiedenen Reaktortypen wird anhand von Beispielen erläutert. Neben Festbettreaktoren in der Industrie werden auch Festbettreaktoren in Labor und Forschung behandelt, welche zum Hochdurchsatz-Screening, zur Messung kinetischer Daten oder zur operando-Spektroskopie an Katalysatoren zum Einsatz kommen. Anschließend wird die mathematische Modellierung von Festbettreaktoren besprochen. Die Gliederung der verschiedenen Modellansätze umfasst die Dimension der Modellierungsdomain, die mathematische Struktur der Gleichungen, die Beschreibung von Transportprozessen, die Zahl und Art der beteiligten Phasen und die Beschreibung der Reaktionskinetik. Neben den klassischen pseudo-homogenen, pseudo-heterogenen und heterogenen Reaktormodellen werden auch moderne Modellierungsansätze wie die CFD-Simulation katalytischer Festbettreaktoren anhand von Beispielen vorgestellt. Zum Abschluss wird auf den instationären Betrieb und das dynamische Verhalten von Festbettreaktoren eingegangen. Dabei werden die parametrische Sensitivität, das thermische Durchgehen und die periodische Flussumkehr näher beleuchtet.

Das Kapitel über die WirbelschichtreaktorenWirbelschichtreaktoren beschreibt die Phänomene, die bei der FluidisierungFluidisierung von FeststoffpartikelnFeststoffpartikeln in aufsteigenden Gasströmen auftreten, und wie diese Phänomene von der Gasgeschwindigkeit, den Betriebsbedingungen und den Partikeleigenschaften abhängen. Vor- und Nachteile von Wirbelschichtreaktoren und wichtige Anwendungen von zirkulierenden und blasenbildenden Wirbelschichten werden dargestellt. Weitere Themen sind die Hochskalierung und die Modellbildung bei Wirbelschichtreaktoren und einige typische Korrelationen zur mathematischen Beschreibung der auftretenden Phänomene. Abschließend werden noch die Besonderheiten beim Einsatz von Wärmetauscherrohren in blasenbildenden Wirbelschichtenblasenbildenden Wirbelschichten für exo- und endotherme Reaktionen diskutiert.

Die Aufteilung von chemischen Reaktionen in mehrere Schritte, die getrennt voneinander optimiert werden können, ergeben ein interessantes Potenzial zur Optimierung des Gesamtprozesses. Vor allem bei Oxidationsreaktionen kann die Nutzung eines festen Oxidationsmittels an Stelle von Sauerstoff dieses Optimierungspotenzial bieten, da neben der Steigerung der Effizienz der Reaktion die Möglichkeit zur gezielten Abtrennung von Komponenten des Reaktionsgemisches im Verlaufe des Prozesses besteht. Damit können energie-intensive vor- oder nachgeschaltete Trennoperationen im Prozess vermieden werden. Eine wichtige Voraussetzung für die Auswahl eines geeigneten festen Oxidationsmittels ist seine Regenerierbarkeit durch eine Oxidation mit Luftsauerstoff. Neben der Energiegewinnung bietet dieses Chemical Looping genannte Konzept auch die Chance, chemische Reaktionen von unerwünschten Nebenreaktionen zu trennen. Besonders bei selektiven Oxidationsreaktionen kann damit die Totaloxidation der Einsatzstoffe oder Produkte erheblich unterdrückt werden. Der mögliche Gewinn in der Selektivität der Reaktion rechtfertigt den Aufwand, nach einem multifunktionalen Sauerstoffträger mit hoher Speicherkapazität und guter katalytischer Aktivität und Selektivität zu suchen.

Häufig werden Drehrohröfen oder Drehrohrreaktoren aufgrund der guten Durchmischung des Feststoffs und der damit verbundenen einheitlichen Produktqualität für die chemische Umsetzung von Feststoffen verwendet. Neben der eigentlichen Reaktion treten eine Vielzahl von Stoff- und Wärmetransporteinflüssen auf, die bei der Auslegung des Reaktors und der Produkterzeugung berücksichtigt werden müssen.

Pulsationsreaktoren dienen zur kontinuierlichen Herstellung feinteiliger Pulver. Ein durch die IBU-tec advanced materials AG geschütztes Verfahren basiert auf der pulsierenden Verbrennung und ermöglicht die thermoschock-artige Behandlung von Lösungen, Suspensionen und Feststoffen. Eine gezielte periodisch instationäre Verbrennung führt zu einem pulsierenden Heißgasstrom. Von diesem werden die Materialien transportiert und gleichzeitig thermisch behandelt. Die Aufgabe in den heißen Gasstrom wie auch die Pulsation führen zu einzigartigen Wärme- und Stoffübergangsvorgängen, wodurch Materialien mit spezifischen Eigenschaften hergestellt werden können.

Es werden verschiedene Bauarten von Schlaufenreaktoren vorgestellt, die sowohl ein-, zwei- als auch mehrphasig betreibbar sind. Für die Auslegung der Reaktoren werden die fluiddynamischen Gesetzmäßigkeiten mitgeteilt. Im Mittelpunkt der Betrachtungen steht die Strahlschlaufe, die in der Reaktionstechnik häufig zum Einsatz kommt. Von zentraler Bedeutung z. B. für das Verweilzeitverhalten oder die Erzeugung von Phasengrenzflächen in Gas/Flüssigkeitssystemen ist die Zirkulationsgeschwindigkeit, auf die besonders abgehoben wird. Es werden außerdem Überlegungen zum Scale-up angestellt. Anhand von Beispielen wird die Bedeutung von Schlaufenreaktoren für die chemische Industrie aufgezeigt.

Dieses Kapitel informiert kurz über die theoretischen Grundlagen des Freistrahlreaktors und des Strahldüsenumlaufreaktors (Jet-Loop-Reaktor). Die Vorteile dieser Reaktoren werden an Beispielen aus der heterogenen und homogenen Katalyse sowie aus der Biokatalyse erläutert.

Der Einfluss von betrieblichen Bedingungen, Katalysatoreigenschaften und Reaktorabmessungen auf das Verhalten von Rieselbettreaktoren für heterogen katalysierte Gas-Flüssig-Reaktionen wird illustriert. Dabei liegt der Schwerpunkt auf der Beschreibung der komplexen Hydrodynamik und der Transportprozesse sowie deren Berücksichtigung bei der Reaktormodellierung. Zusätzlich werden Aspekte der Prozessentwicklung auf Basis von Laborexperimenten beleuchtet und Kriterien zur Bewertung der Abweichung vom idealen Rohrreaktor diskutiert. Zur Überwindung von Stofftransportlimitierungen werden Intensivierungskonzepte für Rieselbettreaktoren vorgestellt.

In Suspensionsreaktoren wird fein gemahlener Katalysator in einer flüssigen Phase suspendiert. Gegenüber anderen Reaktortypen bietet dies Vorteile hinsichtlich der Temperaturkontrolle und der Katalysatorausnutzung. Neben der chemischen Reaktion müssen bei der Reaktorauslegung komplexe hydrodynamische und Stofftransportvorgänge berücksichtigt werden. Dies erfolgt meist über empirische Korrelationen. In diesem Kapitel wird ein Überblick über die zugrunde liegenden physikalischen Zusammenhänge gegeben, auf Basis derer die Anwendbarkeit verfügbarer Korrelationen kritisch bewertet werden kann.

Dieses Kapitel befasst sich mit der Anwendung monolithischer Strukturen für Dreiphasen-Reaktionen. Der Fokus liegt dabei auf Hydrodynamik, Stoff- und Wärmetransport sowie auf der vergleichenden Einordnung von Monolithreaktoren und klassischen Rieselbettreaktoren im Hinblick auf ihre diesbezüglichen Eigenschaften. Mögliche Vorteile und Anwendungsgebiete von Monolithreaktoren werden ebenfalls diskutiert. Betrachtet werden hierbei Waben, Schäume sowie weitere konventionell und additiv gefertigte monolithische Strukturen.

Der Einsatz von Mikroorganismen, isolierten Enzymen oder ganzen Zellen in biotechnologischen Prozessen stellt spezielle Anforderungen an die Reaktionstechnik. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf der Wahl der richtigen Rühr- und Begasungstechnik. Außerdem ist häufig ein steriles Arbeiten unabdingbar. In diesem Kapitel werden diese Aspekte genauer beleuchtet. Darüber hinaus erfolgt ein Exkurs zu den Photo- und Mikrobioreaktoren als speziellere Vertreter dieser Gruppe. Abschließend wird die Bedeutung der biochemischen Reaktoren für die Industrie u. a. anhand des Frings-Acetators gezeigt.

Polyreaktionen weisen eine Reihe von Besonderheiten auf, deren reaktionstechnische Implikationen in diesem Kapitel behandelt werden. Zunächst werden Berechnungsmethoden für Produktverteilungen vorgestellt, die für die Eigenschaften der entstehenden Polymere wesentlich sind. Anschließend wird qualitativ die Rheologie von Reaktionsmischungen diskutiert, die bei Polyreaktionen oft durch einen erheblichen Anstieg der Viskosität mit dem Umsatz gekennzeichnet ist. Danach werden Kriterien für die Reaktorauswahl, nichtideales Strömungsverhalten sowie Selektivitätseffekte und Wärmeabfuhr bei Polymerisationsreaktoren behandelt. Abschließend werden wichtige Polymerisationsverfahren und die dort eingesetzten Reaktortypen kurz vorgestellt.

Elektrochemische Reaktoren sind Reaktionsapparate, in denen eine Wandlung zwischen chemischer und elektrischer Energie stattfindet. Sie werden häufig und in vielfältiger Gestalt in der Chemischen Industrie, zur Metallgewinnung und in der Energietechnik eingesetzt. Im vorliegenden Beitrag werden die für elektrochemische Reaktoren spezifischen Aspekte vorgestellt und die Konsequenzen für Auslegung und Betrieb diskutiert. Der aktuelle Stand der Entwicklungen wird anhand der technisch bedeutsamen Beispiele Chlor-Alkali-Elektrolyse, PEM-Brennstoffzelle und Redox-Flow-Batterie verdeutlicht.

In photochemischen Reaktoren wird die Aktivierung von Reaktanden durch die Bestrahlung des Reaktionsgemisches mit geeigneter LichtquelleLichtquelle (UV-Strahlung, sichtbares Licht, verschiedene Wellenlängenbereiche) erreicht, indem zumeist organische Verbindungen optische Strahlung absorbieren. Dabei wird die Kinetik der ablaufenden Reaktionen wesentlich durch die Intensität des Lichtes und die Wellenlänge bestimmt. Bei der Auswahl und Auslegung von photochemischen Reaktoren kommt neben der Festlegung der Bauart und Größe des Reaktors auch der Dimensionierung und Anordnung sowie dem Langzeitverhalten der verwendeten Strahler eine besondere Rolle zu.

Bedingt durch seine Eigenschaften laufen in physikalischen Plasmen komplexe chemische Prozesse ab, an denen auch Elektronen mit einer hohen mittleren Energie beteiligt sein können. Physikalische Plasmen sind Vielteilchensysteme in Form fluider oder gasartiger Mischungen freier Elektronen und Ionen sowie neutraler Teilchen und Photonen. Die chemischen Stoffumwandlungen einschließlich der Prozesse im Volumen und an den Plasmagrenzflächen sind unter dem Begriff der Plasmachemie zusammengefasst. Generell ist zwischen thermischen und nichtthermischen Plasmen zu unterscheiden. In thermischen Plasmen liegt ein thermisches Gleichgewicht aller Einzelkomponenten mit- und untereinander vor und es gilt das Massenwirkungsgesetz. In nichtthermischen Plasmen liegt ein thermodynamisches Nicht-Gleichgewicht zwischen Elektronen einerseits und den Ionen und Neutralteilchen andererseits vor. Die mittlere Energie der Elektronen kann die der Neutralteilchen und Ionen um bis zu drei Größenordnungen übertreffen, wobei letztere nahe Raumtemperatur vorliegen können. Die Plasmachemie ist bis heute ein interessantes Forschungsfeld und Plasmareaktoren besitzen eine hohe technologische Relevanz. An den Beispielen der Acetylensynthese (thermisches Lichtbogenplasma, Plasmapyrolyse) und der Ozongeneration (nichtthermische Barrierenentladung) werden exemplarisch beiden Zweige der Plasmachemie dargestellt und Reaktorkonfigurationen erläutert.

Das Kapitel beschreibt nach einem kurzen historischen Abriss die Technologie und die Vorteile moderner MikrowellenreaktorenMikrowellenreaktoren für die chemische Synthese. Nach kompakter Diskussion wichtiger Reaktionsparameter und deren Kontrolle sowie Besonderheiten in der Anwendung von Mikrowellentechnologie folgt eine Übersicht relevanter chemischer Transformationen, die erfolgreich in Mikrowellenreaktoren umgesetzt wurden. Zahlreiche Verweise auf wissenschaftliche Publikationen runden den Überblick ab.

Das Konzept „Grüne Chemie“ und die Forderung nach nachhaltigen chemischen Synthesen führen derzeit zu einer Renaissance tribochemischer bzw. mechanochemischer Reaktionen. Diese Art der Reaktionsführung verzichtet in vielen Fällen vollständig auf die Verwendung von Lösungsmitteln und Temperaturbehandlungen. Reaktionen werden durch Stoß-, Reibungs-, oder Scherkräfte von Mahlkörpern initiiert. Die verwendeten Reaktoren sind in der Regel Mühlen, die ursprünglich für das einfache Zermahlen und Zerkleinern von Feststoffen konzipiert wurden. Dieses Kapitel thematisiert unterschiedliche Mühlenkonzepte, erläutert wichtige Prozessparameter und gibt Beispiele, wie diese in tribochemischen Reaktionen in der aktuellen Forschung eingesetzt werden.

Die Zusammenführung von Reaktion und Trennung in einem System in Form eines MembranreaktorMembranreaktors stellt eine ProzessintensivierungProzessintensivierung dar, über die verschiedene Vorteile generiert werden können. So kann beispielsweise ein schonender RückhaltRückhalt homogener Übergangsmetallkatalysatoren gepaart mit vergleichsweise geringem Energieverbrauch realisiert werden. Je nach Wirkprinzip können Membranreaktoren in ExtraktorExtraktoren, KontaktorKontaktoren und DistributorDistributoren eingeteilt werden. Extraktoren erlauben eine selektive Produktabtrennung aus einem Reaktionsgemisch, Kontaktoren bieten zwei nichtmischbaren Phasen eine definierte Phasengrenzfläche zum gegenseitigen Stoffaustausch innerhalb einer porösen MembranMembran, und Distributoren ermöglichen eine gezielte Dosierung von Substraten. Innerhalb dieses Beitrags werden sowohl Grundlagen zur Anwendung von Membranen als auch Anwendungsbeispiele von Membranreaktoren aufgezeigt.

Mikrostrukturreaktoren haben sich mittlerweile zu einem wichtigen Bestandteil der Prozessintensivierung in der chemischen Verfahrenstechnik entwickelt. Zudem sind sie zu wichtigen Werkzeugen für die Entwicklung neuer Synthesen und die Prozessentwicklung im Labor geworden. Die wesentlichen Charakteristiken, die sich aufgrund der Miniaturisierung ergeben, werden zusammengefasst und Entwicklungen für den industriellen Einsatz und die Prozessentwicklung beschrieben.

In diesem Kapitel des Handbuchs Chemischer Reaktoren werden Ansätze zur Parallelisierung von Reaktoren mit dem Ziel der Erhöhung der Effizienz der Testverfahren, Reduktion des zeitlichen und finanziellen Aufwandes für die Testung, die Erhöhung der Reproduzierbarkeit der Ergebnisse und Wissensgenerierung beschrieben. Wie jedes experimentelle Vorgehen bedarf auch die Hochdurchsatz-Experimentation einer sehr sorgfältigen Planung der Versuche im Sinne eines Design of Experiment (DoE). Im Hochdurchsatz-Workflow werden anschließend die Phasen Primär- und Sekundärscreening solange durchlaufen, bis ein entsprechendes Entwicklungsziel erreicht worden ist. Parallelisiert werden können praktisch alle konventionellen Reaktortypen. Oberster Grundsatz bei der Planung und Entwicklung von Multireaktorsystemen ist ein völlig gleichartiges Verhalten aller Reaktoren des Parallelsystems, damit eine Vergleichbarkeit der Ergebnisse gegeben ist. Im Stadium der Realisierung eines Parallelisierungskonzeptes muss daher das Reaktorsystem immer gegen konventionelle Anlagen validiert werden. Vorgestellt werden Beispiele für Parallelreaktorkonzepte aus den Bereichen der mikrostrukturierten Hochdurchsatzreaktoren, der parallelen Strömungsrohrreaktoren, der parallelen Satzreaktoren und der photochemischen Parallelreaktoren.

Aufgrund seiner Robustheit wird der Rührkesselreaktor industriell am meisten genutzt. Für bestimmte Anwendungen, insbesondere in der Hochdrucktechnik oder bei stark exothermen Reaktionen, sind Rohrreaktoren eine sehr gute Alternative. Im Vergleich zu geraden Rohrreaktoren ist in Wendelrohrreaktoren der radiale Wärme- und Stoffaustausch deutlich intensiviert, ohne dass aktiv zusätzlich Energie zugeführt werden muss. Im vorliegenden Kapitel werden die Eigenschaften der Wendelrohrreaktoren näher erläutert und konventionellen Rohrreaktoren gegenübergestellt.

Der TAP-Reaktor ist als spezieller PulsreaktorPulsreaktor ein labortechnisches Hilfsmittel zur Aufklärung von adsorptiven und diffussiven Vorgängen von Gasen in porösen Netzwerken, die in heterogen katalysierten Reaktionen maßgeblich Umsatz und Selektivität beeinflussen. Daneben können aufgrund der hohen zeitlichen Auflösung auch Aussagen zu ablaufenden Teilreaktionen erhalten werden und in eine mikrokinetische Modellierung einfließen.

Kaum eine Technologie hat sich innerhalb der letzten Jahre so öffentlichkeitswirksam verbreitet wie die additive Fertigung. 3D-Drucker sind mittlerweile sowohl im Heimbereich als auch in der industriellen Fertigung anzutreffen. Anhand von zahlreichen Beispielen wird die fortschreitende Entwicklung von 3D-Drucktechniken für chemische Laboratorien dargestellt. Ausgehend von grundlegender Methodenevaluation finden heutzutage komplexe und präparativ nutzbare 3D-gedruckte Reaktoren breite Anwendung sowohl in der Mikro- und Millifluidik als auch in Form kreativ genutzter Batchreaktoren.

Mikroreaktorsysteme ermöglichen es, auf kleinstem Raum verschiedene Prozessschritte kombiniert ablaufen zu lassen. In diesem Kapitel werden die einzelnen funktionellen Einheiten solcher mikrofluidischen Systeme und deren Herstellungsverfahren – insbesondere die moderne, hochauflösende 3D-Drucktechnik – vorgestellt. Zudem werden Möglichkeiten und Restriktionen des Flüssigkeitstransports, der Durchmischung oder Auftrennung, der Etablierung von definierten Verweilzeit- und Reaktionsstrecken sowie der Integration von Sensoren in Lab-on-a-Chip- Systeme aufgezeigt. Abschließend zeigen Beispiele aus der aktuellen Forschung, wie sich mikrofluidische Systeme für analytische Fragestellungen oder in der Bioprozesstechnik einsetzen lassen.