Reaktionstechnik - Das Engineering chemischer Reaktionen

Geometrie und Reaktionsführung industrieller chemischer Reaktoren müssen im Spannungsfeld variable Kosten vs. fixe Kosten optimiert werden. Dabei werden die im Labor und Technikum oder in einem anderen industriellen Maßstab gemachten Erfahrungen übertragen. Dies geschieht mit dem Ziel, bei gleichem Umsatz und gleicher Selektivität, geringere spezifische Produktionskosten zu erreichen.

Die reaktionstechnische Dimensionierung führt zur Festlegung des notwendigen Reaktorvolumens bzw. der notwendigen mittleren Verweilzeit und der Prozessparameter wie Temperatur im Zulauf, Art der Temperierung sowie Druck und Molverhältnis der Reaktanten und ggf. notwendigen inerten Komponenten.

Die geometrische Verteilung des Reaktionsvolumens, z. B. das Verhältnis von Höhe zu Durchmesser oder die volumenbezogene Oberfläche des Apparats ergeben sich meist aus Überlegungen zum zulässigen Druckverlust sowie zum zuverlässigen und sicheren Abtransport der Reaktionswärme.

Die Beherrschbarkeit des Reaktors, also der Abstand des gewählten Betriebspunktes vom Runaway bzw. seine intrinsische Stabilität sowie das erwartete Verhalten bei Ausfall der Kühlung sind die Kriterien, die die Basisplanung dominieren.

Was man über Reaktionstechniker:innen und chemische Reaktoren noch wissen sollte:

• Reaktionstechniker:innen beschäftigen sich mit dem Engineering chemischer Reaktionen.
• Trennoperationen und Fluidströmung können dabei sehr wichtig sein.
• Prozessdesign ist Reaktordesign, da der Reaktor Größe und Funktion der anderen Grundoperationen bestimmt.
• Die meisten Prozesse der chemischen Industrie laufen mit Hilfe von Katalysatoren ab.
• Reaktionen in homogener Phase sind weniger häufig vertreten. Ausnahme: Radikalische Polymerisation in Masse z.B. von Ethylen zu Polyethylen.
• Energiemanagement im chemischen Reaktor ist essentiell für das Reaktordesign.
• Die meisten Prozesse der chemischen Industrie laufen in zwei oder drei Phasen ab - es handelt sich um „heterogene Reaktionssysteme“.
• Der Stofftransport zwischen den beteiligten Phasen kontrolliert in der Regel die Makrokinetik chemischer Synthesen.

Im Rahmen des Seminars werden Methoden zur Basisplanung chemischer Reaktoren vermittelt. Diese basieren auf der Lösung der relevanten Bilanzgleichungen für Material und Enthalpie. Ergänzt werden diese durch Anwendung ähnlichkeitstheoretischer Kennzahlen für z.B. den Wärme- und Stoffübergang. Der Designprozess wird durch Checklisten geführt und durch heuristische Regeln ergänzt.