Chemical Engineering Consulting

Seminar Reaktionstechnik - Das Engineering chemischer Reaktoren

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 und chemische Reaktoren noch wissen sollte:

• Reaktionstechniker 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.

Ziele und Inhalte des Seminars
Ziel des Seminars ist die Vermittlung der Methodenkompetenz der Auswahl und Dimensionierung industrieller chemischer Reaktoren.
Die Seminarteilnehmer können nach der Seminarteilnahme die Bilanzgleichungen für Material und Enthalpie analytisch oder numerisch lösen. Sie wenden Konzepte zur Beschreibung der Kopplung von Wärmetransport und Stofftransport mit chemischen Reaktionen an und sind in der Lage, optimale Prozessbedingungen im Spannungsfeld variable Kosten vs. fixe Kosten zu identifizieren. Sie können geeignete Reaktoren auswählen sowie die notwendigen Berechnungsschritte zur Reaktordimensionierung strukturieren.

Seminarinhalte
Einführung

• Industrielle Chemie
• Industrielle Reaktoren
• Optimierung im Spannungsfeld variable Kosten vs. fixe Kosten
• Charakterisierung von Reaktionssystemen
• Praxisbeispiel als „roter Faden“

Stoffwerte und Mischungsregeln

• Viskosität, Dichte, Wärmeleitfähigkeit, spezifische Wärmekapazität
• Verdampfungsenthalpie, Dampfdruck, Oberflächenspannung

Chemische Thermodynamik

• Standardbildungsenthalpie und Standardreaktionsenthalpie
• freie Standardbildungsenthalpie und freie Standardreaktionsenthalpie
• Reaktionsgleichgewicht

Katalyse

• homogene Katalyse
• heterogene Katalyse

Kinetik

• Reaktionskinetik
• Wärmetransport
• Stofftransport

Reaktormodelle

• absatzweise betriebener Reaktor, BSTR
• kontinuierlicher Rührkesselreaktor, CSTR
• Rohreaktor, PFTR
• laminarer Rohrreaktor
• Reaktorkaskade
• Dispersionsmodell

Reaktorauswahl

• Reaktionen in homogener Phase
• Gas/Flüssig-Reaktionen
• nicht-katalytische Gas/Feststoff-Reaktionen
• heterogen-katalytische Fluid/Feststoff-Reaktionen

Maßstabsvergrößerung

• vom Labor ins Technikum / zur Mini-Plant
• vom Technikum zur Pilotanlage / Produktion
• ähnlichkeitstheoretische Kennzahlen

Basisplanung

• Checklisten zur Basisplanung
• sicherheitstechnische Analyse (runaway)
• heuristische Regeln

Anwendungsbeispiele (Excel und Freemat)

• Absatzweise betriebener Reaktor
• kontinuierlicher Rührkesselreaktor
• Festbettreaktor
• Hordenreaktor
• Rohrbündelfestbettreaktor
• Wirbelschichtreaktor

Teilnehmerkreis
Verfahrenstechniker, Prozesstechniker, Chemieingenieure und Chemiker aus allen Bereichen der Prozessindustrie, die sich mit der Auslegung chemischer Reaktoren beschäftigen.