Chemische Reaktionstechnik

Die Chemische Reaktionstechnik ist einerseits als Untergebiet der Technischen Chemie und andererseits der Chemischen Verfahrenstechnik im interdisziplinären Bereich angesiedelt.

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Kernaufgabe ist die Auslegung von chemischen Reaktoren. Dies erfordert grundlegende Kenntnisse über die in den Reaktoren zur Anwendung kommenden chemischen Reaktionen. Im chemischen Reaktor finden neben der gewünschten Umsetzung von Ausgangsstoffen = Edukten zu Zielprodukten = Produkten oft noch unerwünschte Nebenreaktionen, wie z.B. Parallelreaktionen und Folgereaktionen statt (siehe Reaktions-Netzwerk).

Zielsetzung ist ein optimaler Reaktor hinsichtlich seiner Betriebskosten und den notwendigen Investitionen.

Die Betriebskosten sind im Wesentlichen vom Energiebedarf (Wärmehaushalt des Reaktors) und von der im Reaktor erreichbaren Spezifischen Produktleistung bestimmt. Betrachtet man nur die stoffliche Seite der Optimierung, dann kann man auch postulieren, dass im Reaktor eine möglichst hohe Spezifische Produktleistung erhalten werden sollte, - dies ist gleichbedeutend mit einer minimalen Raumzeit. Die Optimierung der Spezifischen Produktleistung ist ganz grundsätzlich von den Eigenschaften der chemischen Reaktion geprägt und kann mit den Mitteln der Konzentrationsführung und der Stoffstromführung und natürlich indirekt auch der Temperaturführung verwirklicht werden.

Die Investitionen hängen - abgesehen von betriebswirtschaftlichen Aspekten - sehr stark vom Reaktorvolumen und von der apparativen Aufwendigkeit ab. Mit der Optimierung der Spezifischen Produktleistung ist aber automatisch eine Minimierung des Reaktorvolumens verknüpft (minimierte Raumzeit). Zur Lösung der vorgestellten Aufgaben muss der Reaktionstechniker Kenntnisse auf folgenden Gebieten anwenden:

• Chemische Reaktionskinetik und hier insbesondere Kinetik komplexerer Reaktionen ( Reaktions-Netzwerke) sowie fundamentale Kenntnisse zu Reaktionsmechanismen.
• Chemische Katalyse , homogene und heterogene Katalyse (Mikro- und Makrokinetik Heterogen Katalytischer Reaktionen). Etwa 80% der in der chemischen Industrie durchgeführten Reaktionen sind katalytisch.
• Grundtypen Chemischer Reaktoren, Idealreaktoren, Schaltungen von Idealreaktoren
• Mikro- und Makrovermischung in den Reaktionsapparaten, Verweilzeit, reales Verhalten
• Optimierung der Spezifischen Produktleistung durch Konzentrationsführung: umsatzorientierte Optimierung, angepasste Konzentrationsführung; Stoffstromführung bei heterogenen Reaktionen
• Wärmehaushalt des Reaktors adiabatische Reaktoren, isotherme Reaktoren, polytrope Reaktoren, autotherme Betriebsweise. Verkopplung von Stoff und Wärmehaushalt.
  

Dies sind auch die Lehrinhalte des Gebiets chemische Reaktionstechnik in der Technischen Chemie

Literatur

1. J. Hagen, Chemische Reaktionstechnik, Eine Einführung mit Übungen VCH-Verlag, Weinheim, 1992
2. A. Löwe, Chemische Reaktionstechnik mit MATLAB und SIMULINK, Wiley-VCH, ISBN 3-527-30268-9-Wiley-VCH, Weinheim
3. K. Dialer, U. Onken, K. Leschonsky, Grundzüge der Verfahrenstechnik und Reaktionstechnik, Hanser-Verlag, München, 1984
4. M. Jakubith, Grundoperationen und chemische Reaktionstechnik, Einführung in die Technische Chemie, Reihe ‚Die chemische und biotechnische Produktion‘, Herausg. V. Hopp, Wiley-VCH-Verlag, Weinheim, 1998
5. O. Levenspiel, The Chemical Reactor Omnibook, Osu-Verlag, Oregon, 1993