Chemische Verfahrenstechnik Teil 14 Klassifizierung von Reaktoren Prof. Dr. rer. nat. K.-E. Köppke SS 2015 Chemische Verfahrenstechnik Reaktoren Kriterien zur Reaktorauswahl 1. Betriebsform konti -, batch -, semibatch - Betrieb Produktionskapazität, Größe der Stoffmengenänderungsgeschwindigkeiten, Möglichkeiten des Transportes der Reaktanden, Arbeitsweise vor- und nachgeschalteter Verfahrensstufen 2. Temperaturführung Erfordernisse der Prozesskinetik (Abhängigkeit des Umsatzes und der Selektivität von der Temperatur) 3. Wärmetechnische Betriebsform Erfordernisse der Temperaturführung. Größe der zu transportierenden Wärmemenge 4. Verweilzeitverhalten Erfordernisse der Reaktionskinetik, Möglichkeiten des Stofftransports und der Anordnung von Mischvorrichtungen; Phasenverteilung Prof. Dr. rer. nat. K.-E. Köppke SS 2015 Chemische Verfahrenstechnik Reaktoren 5. Anordnung der Phasen und Führung der Stoffströme bei heterogenen Systemen (Fest-, Wirbel- und Wanderbett, Gleich- und Gegenstrom) Erfordernisse der Reaktionskinetik, insbesondere jedoch die Lage von Gleichgewichten; Druckverluste; Häufigkeit von Kontaktwechseln; Platzbedarf; Erfordernisse des Stoff- und Wärmetransportes 6. Berücksichtigung extremer Reaktionsbedingungen Kompliziertheit des Aufbaus; Verwendung bewegter Teile, Apparategröße; Möglichkeiten des Korrosionsschutzes; Instandhaltungsaufwand 7. Berücksichtigung von Fertigungs- und Materialproblemen Technologische Möglichkeiten des Herstellers; Transportmöglichkeiten; Herstellungs- und Materialkosten Prof. Dr. rer. nat. K.-E. Köppke SS 2015 Chemische Verfahrenstechnik 8. Wirtschaftlichkeit Reaktoren Investitionen, Betriebskosten, Arbeitskräftebedarf für Bedienung und Instandhaltung; Flexibilität der Anlage bezüglich der Einsatzstoffe und Produkte; spezifische Material- und Energieverbräuche 9. Umwelt- und Sicherheitsanforderungen Emission von Schadstoffen, Explosions- und Brandgefährdung, Erfordernisse von gesetzlichen Bestimmungen 10. Standort der Anlage Prof. Dr. rer. nat. K.-E. Köppke SS 2015 Chemische Verfahrenstechnik Reaktoren Reaktoren für einphasige Systeme a Scheibenrührer b Impellerrührer c Kreuzbalkenrührer d Gitterrührer e Blattrührer Rührkesselreaktor oder Rührbehälter mit Wärmeübertrager (Mantel, Rohrschlange) und Blattrührer f Ankerrührer g Schaufelrührer h Propellerrührer gebräuchliche Rührertypen i MIG-Rührer Mehrstufen – Impuls - Gegenstrom k Wendelrührer Prof. Dr. rer. nat. K.-E. Köppke SS 2015 Chemische Verfahrenstechnik Reaktoren Wärmeübertragung von Rührbehältern (indirekte Wärmeübertragung) a Doppelmantel, b aufgeschweißtes Halbrohr, c aufgeschweißtes Vollrohr, d Innenschlange (Rohrschlange) Prof. Dr. rer. nat. K.-E. Köppke SS 2015 Chemische Verfahrenstechnik Reaktoren Wärmedurchgangskoeffizienten kw in Rührkesselreaktoren Prof. Dr. rer. nat. K.-E. Köppke SS 2015 Chemische Verfahrenstechnik Reaktoren direkter Wärmeaustausch: - Lösemittel im Reaktor ist zugleich Kühlfluid - direkte Einleitung eines Kühlfluids in den Reaktor Das Lösungs- oder Kühlfluid wird verdampft (entsprechende Druckführung), wobei der Dampf aus dem Reaktor entfernt wird. - Einblasen von Dampf zur Erwärmung wässriger Lösungen oder wässriger Suspensionen - Tauchbrenner zur Erwärmung bzw. Konzentrierung aggressiver Flüssigkeiten, wie z.B. H2SO4, H3PO4 Prof. Dr. rer. nat. K.-E. Köppke SS 2015 Chemische Verfahrenstechnik Reaktoren Einsatz von Rohrreaktoren • Strömungsrohr für kontinuierliche Produktionen von Massenprodukten • Besitzt bezogen auf das Reaktorvolumen eine große Mantelfläche Daher geeignet für Reaktionen, die einen hohen Wärmetransport erfordern (Wärmezufuhr oder Kühlung) • bei hochviskosen Fluiden, z.B. Polymerisationen: durch laminares Geschwindigkeitsprofil sehr breite Verweilzeitverteilungen ⇒ häufig schlechte Produktqualitäten Reaktor als Strömungsrohr (Hochdruck-Polyethylenanlage) ⇒ Abhilfe: Rohr - Einbauten, z.B. statische Mischer oder Füllkörper, wodurch: - die unerwünschte axiale Dispersion in Strömungsrichtung vermindert wird - die radialen Konzentrations- und Temperaturgradienten verkleinert werden - der Wärmeübergangskoeffizient um den Faktor 2 bis 5 erhöht wird. Verbesserungen sind auch dadurch möglich, den Reaktor z.B. in mechanisch gerührte Abschnitte zu unterteilen Prof. Dr. rer. nat. K.-E. Köppke SS 2015 Die axiale Dispersion entsteht durch unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten turbulentes Strömungsprofil durch Einbauten Prof. Dr. rer. nat. K.-E. Köppke statischer Mischer SS 2015 Reaktoren für mehrphasige Systeme Beispiele für Festbettreaktoren Reaktor Bemerkungen Vollraumreaktor Beispiel: Isomerisierung von Kohlenwasserstoffen - sehr einfache Konstruktion - Wärmeübertrager sind vor- und nachgeschaltet - ungeeignet, wenn die Selektivität stark von der Temperatur abhängig ist Prof. Dr. rer. nat. K.-E. Köppke SS 2015 Reaktor Bemerkungen Vollraumreaktorkaskade Beispiel: Reformieren von Schwerbenzin - Anwendung für große Durchsätze - geeignet für endotherme Reaktionen mit Zwischenerwärmung - Druckverlust kann sehr hoch werden Prof. Dr. rer. nat. K.-E. Köppke SS 2015 Reaktor Bemerkungen Vollraumreaktor mit direkter Beheizung Beispiel: Sekundärreformer von Steam-ReformingAnlagen Clausofen Rußherstellung - geeignet für endotherme Reaktionen - Einsatzstoffe werden zur Deckung des Wärmebedarfs teilweise verbrannt. Prof. Dr. rer. nat. K.-E. Köppke SS 2015 Reaktor Bemerkungen Reaktor mit extrem kurzer Katalysatorschicht Beispiel: Sekundärreformer von Steam-ReformingAnlagen Clausofen Rußherstellung - geeignet für Reaktionen mit sehr hoher Reaktionsgeschwindigkeit und für instabile Produkte - extrem kurze Verweilzeit - Katalysator oft in Netzform angeordnet Prof. Dr. rer. nat. K.-E. Köppke SS 2015 Reaktor Bemerkungen Hordenreaktor Beispiel: Ammoniaksynthese Methanolsynthese SO2-Oxidation - Anwendung bei exothermen Gleichgewichtsreaktionen - Anpassung der Schichthöhen an den Reaktionsverlauf Prof. Dr. rer. nat. K.-E. Köppke SS 2015 Reaktor Bemerkungen Rohrbündelreaktor Beispiel: Vinylchlorid-Synthese - Katalysator befindet sich in Rohren - Wärmeübertrager umspült die Rohre - Umlenkeinrichtungen zur Verbesserung der Wärmeübertragung - hoher Druckverlust - hohe Fertigungskosten Prof. Dr. rer. nat. K.-E. Köppke SS 2015 Chemische Verfahrenstechnik Reaktoren Grundsätzlich bei Festbettreaktoren zu beachten: Sind im Fluid (z.B. Gas) Stoffe vorhanden, die zu einer Verblockung führen können? ggfs. Gasreinigung erforderlich ! Prof. Dr. rer. nat. K.-E. Köppke SS 2015 Chemische Verfahrenstechnik Reaktoren Beispiele für Fließbettreaktoren Reaktor Zirkulierende Wirbelschicht Prof. Dr. rer. nat. K.-E. Köppke Bemerkungen Beispiel: Fluid-Catalytic-Cracken‘ (FCC) bei der Mineralölaufbereitung Calcination von Al(OH)3 - intensive Durchmischung der Reaktionspartner - Katalysator kann aus der zirkulierenden Wirbelschicht direkt zur Regeneration geleitet werden. - hoher apparativer Aufwand für zirkulierende Wirbelschicht SS 2015 Chemische Verfahrenstechnik Reaktoren Beispiele für Fließbettreaktoren Reaktor Bemerkungen Drehrohrofen Beispiele: thermische Behandlung von Feststoffen, z.B. Zementherstellung Rösten (z.B. sulfidische Erze) Wasserglasherstellung - intensive Durchmischung und Transport durch Rotationsbewegung des Reaktors - geeignet für Reaktionen anorganischer Feststoffe - geeignet für Reaktionen mit hohen Temperaturen Prof. Dr. rer. nat. K.-E. Köppke SS 2015 Beispiele für Fluid-Fluid-Reaktoren Reaktionen finden i. A. nur in der einen Phase (Reaktionsphase) statt, in die die Reaktanden (meist Edukte) vor ihrer Reaktion durch Stofftransport gelangen müssen. ■ Gas - Flüssigkeits - Reaktionen: Absorption mit chemischen Reaktionen, z.B. partielle Oxidationen, Chlorierungen, Abgaswäschen für toxische Gase, aerobe Fermentationen ■ Flüssigkeits - Flüssigkeits - Reaktionen: in nicht mischbaren Flüssigkeiten, z.B. Nitrierungen und Sulfonierungen organischer Produkte Frage: Wie kann man eine konvektive Stofftransportlimitierung vermeiden? Prof. Dr. rer. nat. K.-E. Köppke SS 2015 Chemische Verfahrenstechnik Reaktoren Beispiele für Gas-Flüssigkeitsreaktoren Reaktor Bemerkungen Blasensäulenrektor Beispiele: Chlorierung organischer Grundchemikalien Bioreaktoren (Antibiotika) biologische Abwasserreinigung - einfache Bauweisen, große Fexibilität - keine beweglichen Einbauten - breite Verweilzeitverteilung aufgrund der intensiven Vermischung Prof. Dr. rer. nat. K.-E. Köppke SS 2015