Chemische Reaktionstechnik

Gegenstand und Kernaufgabe

Die chemische Reaktionstechnik, auch chemische Verfahrenstechnik genannt, ist ein Untergebiet der Verfahrenstechnik beziehungsweise der Technischen Chemie. Sie befasst sich mit der Auslegung und dem Betrieb chemischer Reaktoren. Ein Reaktor ist ein Apparat, in dem chemische Reaktionen unter festgelegten Bedingungen durchgeführt werden.

Bei der Reaktorauslegung müssen insbesondere folgende Eigenschaften bestimmt werden:

• die Betriebsweise: kontinuierlich oder diskontinuierlich,
• Art, Größe und Material des Reaktors,
• Betriebsbedingungen wie Druck, Temperatur, Konzentration, eingesetzte Katalysatoren und Reinheit des Ausgangsmaterials.

Bevor eine Produktion vergrößert wird, prüft man die Umsetzung zunächst in kleineren Labor- oder Technikumsanlagen. Für die Übertragung auf einen größeren Maßstab sind grundlegende Kenntnisse der ablaufenden chemischen Reaktionen erforderlich. Ziel ist eine optimale Reaktorauslegung. Dabei werden möglichst geringe Investitions- und Betriebskosten angestrebt, insbesondere für Rohstoffe und Energie. Zusätzlich müssen sicherheitstechnische Randbedingungen sowie die Auswirkungen von Nebenprodukten auf nachfolgende Verfahrensschritte berücksichtigt werden.

Stoff-, Energie- und Zeitbilanz

Die Grundlage der Auslegung bilden drei miteinander verbundene Bilanzen.

Die Stoffbilanz muss durch die Stöchiometrie eindeutig geklärt sein. Die Stöchiometrie beschreibt die Mengenverhältnisse der an einer Reaktion beteiligten Stoffe. Neben der chemischen Hauptreaktion können bei Druck- oder Temperaturänderungen Nebenprodukte entstehen. Ursache sind Nebenreaktionen, zum Beispiel Parallelreaktionen und Folgereaktionen. Die Gesamtheit der gleichzeitig möglichen Reaktionen wird als Reaktionsnetzwerk bezeichnet. Diese Nebenreaktionen müssen bekannt sein, weil sie Umsatz, Ausbeute und Produktqualität beeinflussen.

Die Energiebilanz beschreibt die zugeführte oder abgegebene Wärmemenge. Im Labormaßstab spielt die Wärmetönung im Reaktionsgefäß häufig eine untergeordnete Rolle. Bei großen Reaktoren ist die Reaktionswärme jedoch nicht mehr vernachlässigbar. Die chemische Thermodynamik liefert die Grundlage für die erforderlichen Wärmeberechnungen.

Die Zeitbilanz betrachtet, wie schnell eine Reaktion abläuft. Dabei ist die chemische Kinetik entscheidend. Sie untersucht insbesondere, wie sich die Reaktionsgeschwindigkeit mit der Temperatur und der Konzentration verändert. Aus der Zeitbilanz kann beispielsweise die tägliche Produktionsmenge eines chemischen Produktes in einer entsprechend dimensionierten Anlage berechnet werden.

Stoff- und Wärmehaushalt sind gekoppelt. Je nach Betriebsweise unterscheidet man unter anderem adiabatische Reaktoren, bei denen kein Wärmeaustausch mit der Umgebung stattfindet, isotherme Reaktoren mit konstanter Temperatur, polytrope Reaktoren sowie die autotherme Betriebsweise. Bei der autothermen Betriebsweise wird die für den Prozess benötigte Wärme durch die Reaktion selbst bereitgestellt.

Produktleistung und wirtschaftliche Optimierung

Die Betriebskosten werden im Wesentlichen durch den Energiebedarf beziehungsweise den Wärmehaushalt des Reaktors und durch die erreichbare spezifische Produktleistung bestimmt. Die spezifische Produktleistung, auch Reaktorleistung genannt, ist die Produkt-Stoffmenge oder Produktmasse pro Reaktorvolumen und pro Zeiteinheit.

Aus rein stofflicher Sicht soll die spezifische Produktleistung möglichst hoch sein. Dies entspricht einer möglichst kleinen Raumzeit. Die Raum-Zeit-Ausbeute, englisch space velocity, ist der Kehrwert der Reaktorleistung. Eine minimale Raumzeit bedeutet, dass eine bestimmte Produktmenge mit einem möglichst kleinen Reaktorvolumen und in möglichst kurzer Zeit erzeugt werden kann.

Die erreichbare Produktleistung wird grundsätzlich durch die Eigenschaften der chemischen Reaktion geprägt. Sie kann durch mehrere Formen der Prozessführung verbessert werden:

• Konzentrationsführung, insbesondere umsatzorientierte und angepasste Konzentrationsführung,
• Stoffstromführung, besonders bei heterogenen Reaktionen,
• Temperaturführung als indirekte Möglichkeit der Optimierung.

Die Investitionskosten hängen – abgesehen von betriebswirtschaftlichen Aspekten – stark vom Reaktorvolumen und von der apparativen Aufwendigkeit ab. Die Optimierung der spezifischen Produktleistung ist deshalb unmittelbar mit einer Minimierung des Reaktorvolumens verbunden. Neben wirtschaftlichen Gesichtspunkten dürfen Sicherheitsanforderungen und die Folgen von Nebenprodukten jedoch nicht außer Acht gelassen werden.

Fachliche Grundlagen und wichtige Größen

Für die Lösung der Aufgaben benötigt die Reaktionstechnik Kenntnisse der chemischen Reaktionskinetik, besonders der Kinetik komplexerer Reaktionen, von Reaktionsnetzwerken und von Reaktionsmechanismen. Weitere Grundlagen sind die chemische Katalyse sowie homogene und heterogene Katalyse. Bei heterogenen katalytischen Reaktionen werden Mikro- und Makrokinetik unterschieden. Etwa 80 % der in der chemischen Industrie durchgeführten Reaktionen sind katalytisch.

Wichtig sind außerdem Grundtypen chemischer Reaktoren, Idealreaktoren und Schaltungen von Idealreaktoren sowie Mikro- und Makrovermischung, Verweilzeit und das reale Verhalten von Reaktionsapparaten.

Zu den fundamentalen Größen und Modellkonstanten gehören unter anderem:

• Stoffmenge n und Stoffmengenstrom {\dot{n}}, Stoffmengenkonzentration c und molare Masse M,
• stöchiometrische Koeffizienten \nu_i der Reaktanden i in einer chemischen Reaktionsgleichung,
• Stoffmengenumsatz beziehungsweise Umsatzgrad U, kurz Umsatz, sowie Ausbeute A. Die Ausbeute ist die Produktmenge pro verbrauchter Menge an Ausgangsstoff. Die Selektivität S wird kaum noch benutzt und ist nur bei einfachen Reaktionen sinnvoll,
• Reaktionsgeschwindigkeit r einer unabhängigen Einzelreaktion (Hinreaktion) und Bruttoreaktionsgeschwindigkeit R_i eines Reaktionsteilnehmers i, der an mindestens einer von mehreren gleichzeitigen Reaktionen teilnimmt, etwa an Gleichgewichts-, Folge- oder Parallelreaktionen,
• Umsatzvariable beziehungsweise Fortschreitungsgrad \xi und modifizierte, volumenbezogene, stoffmengenbezogene oder massenbezogene Fortschreitungsgrade,
• Volumen V, Reaktionsvolumen beziehungsweise Reaktorvolumen V_R, Volumenstrom {\dot V} und molares Volumen V_m. Das molare Volumen ist das Volumen pro Stoffmenge und wird zur Berechnung von Volumenänderungen durch Reaktionen benötigt,
• Verweilzeit \tau, also der Quotient aus Reaktionsvolumen oder Reaktorvolumen und dem Volumenstrom durch den Reaktor oder Behälter. Im Fließbetrieb entspricht die Reaktionsdauer t der Verweilzeit; im Stationärbetrieb ist sie beliebig festlegbar,
• absolute Temperatur T, Masse m und Massenstrom {\dot m}, Dichte \varrho und Schüttdichte \varrho_S, zum Beispiel die eines eingefüllten, schüttbaren festen Katalysators,
• Aktivierungsenergie E_A, Stoßfaktor A, Reaktionsordnung n und Geschwindigkeitskonstante k als Modellkonstanten,
• Strömungsgeschwindigkeit v oder w einer angenommenen Pfropfenströmung,
• spezifische Wärmekapazität c, Wärmeleitfähigkeit \lambda, Wärmestrom {\dot Q}, Wärmemenge Q und Reaktionsenthalpie \Delta H_R,
• Diffusionsgeschwindigkeit v_D, Diffusionskoeffizient D, Wärmeübergangskoeffizient \alpha und Wärmedurchgangszahl k.

Für Wärmeübergangsberechnungen ist insbesondere die dimensionslose Reynoldszahl Re wichtig. Weitere geometrische Größen sind Fläche beziehungsweise Querschnittsfläche A, Reaktorlänge l, Wandstärke s und Durchmesser d; der Reaktorinnendurchmesser entspricht der Nennweite. Hinzu kommen energetischer Wirkungsgrad \eta, Investitionskosten und Amortisationsdauer.

Bei nicht volumenkonstanten Reaktionen können Beladungen oder Molalität b anstelle von Stoffmengenkonzentrationen verwendet werden. Der Koeffizient der Volumenänderung durch chemische Reaktion \epsilon beschreibt solche Volumenänderungen. Die Porosität \epsilon kennzeichnet beispielsweise den Porenanteil eines Katalysators; außerdem ist dessen spezifische Oberfläche, also die Fläche pro Masse, relevant.

Für die Beschreibung der Zusammensetzung werden der Gesamtdruck beziehungsweise Summendruck p und die Partialdrücke p_i sowie einheitslose Verhältnisgrößen verwendet: Stoffmengenanteil x_i, Massenanteil y_i und Volumenanteil \varphi_i. In wässrigen Lösungen sind pH-Wert und pOH-Wert der Betrag des dekadischen Logarithmus der Wasserstoffionen-Konzentration beziehungsweise der Hydroxidionen-Konzentration. Bei Gleichgewichtsreaktionen werden außerdem der Reaktionsgrad beziehungsweise Dissoziationsgrad \alpha und die Gleichgewichtskonstante K des Massenwirkungsgesetzes verwendet.