Reaktionen in homogener Phase
Reaktoren für homogene Reaktionssysteme werden in Rührkessel- und Rohrreaktoren differenziert, da bei Rührkesselreaktoren die optimale Auslegung des Rührers die Reaktorgeometrie beeinflussen kann.
Reaktorauswahl
Generell gilt der Grundsatz, dass unter gleichen Reaktionsbedingungen und bei gleichen Volumina der Umsatz in einem Rohrreaktor stets größer ist, als in einem Rührkesselreaktor (Reaktionsordnung n > 0). Je größer der gewünschte Umsatz ist, umso größer wird der Vorteil des Rohrreaktors gegenüber dem Rührkesselreaktor. Ist es aus Gründen intensiver Durchmischung oder wegen eines guten Wärmeübergangs notwendig, einen Rührer vorzusehen, dann sollte geprüft werden, ob ein Reaktor mit einem größeren H/D-Verhältnis Vorteile bringt. Dabei ist zu beachten, dass die fixe Investition bei gleichem Volumen mit dem H/D-Verhältnis steigt.
Rührkesselreaktoren
Rührkesselreaktoren für chemische Synthesen haben in der Regel ein H/D-Verhältnis von 1,0 - 1,2; Bioreaktoren für die aerobe Fermentation werden wegen der Verbesserung des Stoffübergangs Gas/Flüssigkeit auch mit einem etwas größeren Schlankheitsgrad ausgeführt.
Zur Temperierung werden Rührkesselreaktoren meist mit einem Heizmantel versehen (jacket). Mögliche Ausführungen sind ein Ringspalt bzw. Doppelmantel, aufgeschweißte Halbrohre oder die Ausführung des Reaktormantels als WTO-Platte bzw. Thermoplate (cushion plate).
Ist die notwendige wärmeübertragende Fläche größer als die Mantelfläche, kann man Rohrschlangen oder einen externen Temperierkreislauf vorsehen. In extremen Fällen hoher Reaktionsenthalpie muss zur Temperierung auf eine Verdampfungskühlung zurückgegriffen werden.
Checkliste zur prozesstechnisches Auslegung von Rührkesselreaktoren (basic engineering)
- Festlegung der Produkte und der Edukte
- Festlegung der Produktionskapazität (bei z.B. 8.000 h/a)
- Festlegung des Umsatzes und der Selektivität
- Formulierung der Reaktionsgleichungen bzw. der stöchiometrischen Beziehungen der Haupt- und Nebenreaktionen (einfache Reaktion, Reaktionsnetzwerk)
- Berechnung der Arrheniusparameter k0 und EA aus Labordaten
- Beschaffung der Stoffwerte als Funktion der Temperatur für Dichte, Viskosität, Wärmeleitfähigkeit, spezifische Wärmekapazität, Dampfdruck der Reinstoffe, Verdampfungsenthalpie
- Beschaffung der Bildungsenthalphien ΔFH0 und der freien Bildungsenthalpien ΔFG0
- Berechnung der Reaktionsenthalpien ΔRH0 und der freien Reaktionsenthalpien ΔRG0
- Identifizierung: Reaktion exotherm / endotherm bzw. exergonisch / endergonisch
- Festlegung von Reaktionsdruck und Reaktionstemperatur
- Festlegung der Zulaufkonzentrationen c0,i der Edukte
- Festlegung der Zulauftemperatur T0
- Berechnung der adiabaten Temperaturerhöhung ΔTad
- Berechnung der Gleichgewichtskonstanten K298 und K(T)
- Festlegung: Eingriff ins Reaktionsgleichgewicht notwendig oder nicht?
- Festlegung Grad der Mikrovermischung zur Maximierung der Selektivität:
vollständige Seggregation oder maximale Gemischtheit? - Berechnung der Reaktionsgeschwindigkeitskonstante k(T)
- Bilanzierung von Material und Enthalpie
- Berechnung des notwendigen Reaktorvolumens
- Festlegung des Werkstoffs der medienberührten Teile
- Festlegung des Füllgrades
- Festlegung des Schlankheitsgrades H/D
- Berechnung der Reaktorgeometrie H, D sowie Festlegung Art des Bodens und des Deckels
- Festlegung der Rühreraufgaben
- Auswahl und Dimensionierung des Rührers und des Rührerantriebs
- Berechnung der Rührerleistung
- Berechnung der Mischzeit
- Festlegung der Temperaturführung
- Festlegung des Servicefluids zur Temperierung
- Berechnung der notwendigen wärmeübertragenden Fläche
- Berechnung des Wärmeübergangs auf des Produktseite und der Seite des Servicefluids
- Festlegung der Foulingwiderstände
- Berechnung des Wärmedurchgangskoeffizienten
- Überprüfung der Rührerdimensionierung
- Überprüfung der Explosionsgrenzen
- Im Fall exothermer Reaktionen: Überprüfung potentiell mehrfach-stationärer Zustände
- Im Fall exothermer Reaktionen: Überprüfung run-away bei Ausfall der Kühlung
- Ggf. Anpassung der Prozess-und Geometrieparameter
- Regelungstechnisches Konzept
- Ausfüllen des Apparatedatenblattes
Literatur
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VDI Wärmeatlas, 2013: Berechnungsblätter für die Wärmeübertragung, 11. Auflage, Springer
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