Batch-Reaktorbearbeiten
Der einfachste Reaktortyp ist ein Batch-Reaktor. Materialien werden in einen Batch-Reaktor geladen, und die Reaktion verläuft mit der Zeit. Ein Batch-Reaktor erreicht keinen stationären Zustand, und eine Kontrolle von Temperatur, Druck und Volumen ist häufig erforderlich. Viele Batch-Reaktoren verfügen daher über Anschlüsse für Sensoren und Materialein- und -ausgabe. Batch-Reaktoren werden typischerweise in der Kleinserienproduktion und bei Reaktionen mit biologischen Materialien verwendet, z. B. beim Brauen, Aufschluss und bei der Herstellung von Enzymen. Ein Beispiel für einen Batchreaktor ist ein Druckreaktor.
CSTR (kontinuierlicher Rührkesselreaktor)Bearbeiten
In einem CSTR werden ein oder mehrere flüssige Reagenzien in einen Tankreaktor eingebracht, der typischerweise mit einem Laufrad gerührt wird, um eine ordnungsgemäße Vermischung der Reagenzien zu gewährleisten, während der Reaktorabfluss entfernt wird. Das Teilen des Volumens des Behälters durch die durchschnittliche Volumenstromrate durch den Behälter gibt die Raumzeit oder die Zeit, die erfordert wird, um ein Reaktorvolumen der Flüssigkeit zu verarbeiten. Mit Hilfe der chemischen Kinetik kann der erwartete prozentuale Abschluss der Reaktion berechnet werden. Einige wichtige Aspekte des CSTR:
- Im stationären Zustand muss der Massendurchfluss in gleich dem Massendurchfluss out sein, da sonst der Tank überläuft oder leer wird (transienter Zustand). Während sich der Reaktor in einem transienten Zustand befindet, muss die Modellgleichung aus den differentiellen Massen- und Energiebilanzen abgeleitet werden.
- Die Reaktion läuft mit der Reaktionsgeschwindigkeit ab, die mit der Endkonzentration (Ausgangskonzentration) verbunden ist, da angenommen wird, dass die Konzentration im gesamten Reaktor homogen ist.
- Oft ist es wirtschaftlich sinnvoll, mehrere CSTRs in Reihe zu betreiben. Dadurch kann beispielsweise der erste CSTR mit einer höheren Reagenzkonzentration und damit einer höheren Reaktionsgeschwindigkeit arbeiten. In diesen Fällen können die Größen der Reaktoren variiert werden, um den Gesamtinvestitionsaufwand für die Durchführung des Verfahrens zu minimieren.
- Es kann gezeigt werden, dass eine unendliche Anzahl unendlich kleiner CSTRs, die in Reihe arbeiten, einem PFR äquivalent wäre.
Das Verhalten eines CSTR wird oft durch das eines kontinuierlichen Rührkesselreaktors (CISTR) angenähert oder modelliert. Alle Berechnungen mit CISTRs setzen eine perfekte Vermischung voraus. Wenn die Verweilzeit das 5-10-fache der Mischzeit beträgt, wird diese Näherung für technische Zwecke als gültig angesehen. Das CISTR-Modell wird häufig zur Vereinfachung technischer Berechnungen verwendet und kann zur Beschreibung von Forschungsreaktoren verwendet werden. In der Praxis kann es nur angegangen werden, insbesondere in Reaktoren industrieller Größe, in denen die Mischzeit sehr groß sein kann.
Ein Schlaufenreaktor ist ein Hybridtyp eines katalytischen Reaktors, der physikalisch einem Rohrreaktor ähnelt, aber wie ein CSTR arbeitet. Die Reaktionsmischung wird in einer Rohrschlaufe, die von einem Mantel zum Kühlen oder Heizen umgeben ist, im Kreislauf geführt und es erfolgt ein kontinuierlicher Zu- und Abfluss von Edukt.
PFR (Plug-Flow-Reaktor)Bearbeiten
In einem PFR, manchmal auch als Continuous Tubular Reactor (CTR) bezeichnet werden ein oder mehrere flüssige Reagenzien durch ein Rohr oder eine Röhre gepumpt. Die chemische Reaktion verläuft, wenn die Reagenzien durch den PFR wandern. Bei diesem Reaktortyp erzeugt die sich ändernde Reaktionsgeschwindigkeit einen Gradienten in Bezug auf die zurückgelegte Strecke; Am Eingang zum PFR ist die Geschwindigkeit sehr hoch, aber wenn die Konzentrationen der Reagenzien abnehmen und die Konzentration des Produkts (der Produkte) zunimmt, verlangsamt sich die Reaktionsgeschwindigkeit. Einige wichtige Aspekte des PFR:
- Das idealisierte PFR-Modell geht von keiner axialen Vermischung aus: Jedes Element von Flüssigkeit, das durch den Reaktor fließt, vermischt sich nicht mit Flüssigkeit vor oder nach dem Reaktor, wie der Begriff „Pfropfenstrom“ impliziert.
- Reagenzien können an anderen Stellen im Reaktor als dem Einlass in den PFR eingebracht werden. Auf diese Weise kann ein höherer Wirkungsgrad erzielt werden, oder die Größe und die Kosten des PFR können reduziert werden.
- Ein PFR hat eine höhere theoretische Effizienz als ein CSTR desselben Volumens. Das heißt, bei gleicher Raumzeit (oder Verweilzeit) verläuft eine Reaktion in einem PFR zu einem höheren prozentualen Abschluss als in einem CSTR. Dies gilt nicht immer für reversible Reaktionen.
Für die meisten chemischen Reaktionen von industriellem Interesse ist es unmöglich, dass die Reaktion zu 100% abgeschlossen ist. Die Reaktionsgeschwindigkeit nimmt ab, wenn die Reaktanten bis zu dem Punkt verbraucht werden, an dem das System ein dynamisches Gleichgewicht erreicht (keine Nettoreaktion oder Änderung der chemischen Spezies tritt auf). Der Gleichgewichtspunkt für die meisten Systeme ist weniger als 100% vollständig. Aus diesem Grund folgt häufig ein Trennverfahren, wie die Destillation, einem chemischen Reaktor, um eventuell verbleibende Reagenzien oder Nebenprodukte vom gewünschten Produkt abzutrennen. Diese Reagenzien können manchmal zu Beginn des Prozesses wiederverwendet werden, beispielsweise im Haber-Prozess. In einigen Fällen wären sehr große Reaktoren notwendig, um sich dem Gleichgewicht zu nähern, und Chemieingenieure können sich dafür entscheiden, das teilweise umgesetzte Gemisch zu trennen und die übrig gebliebenen Reaktanten zu recyceln.
Unter laminaren Strömungsbedingungen ist die Annahme der Pfropfenströmung sehr ungenau, da sich die Flüssigkeit, die durch die Mitte des Rohrs fließt, viel schneller bewegt als die Flüssigkeit an der Wand. Der kontinuierliche oszillatorische Prallreaktor (COBR) erreicht eine gründliche Durchmischung durch die Kombination von Fluidschwingung und Öffnungsleitblechen, so dass die Pfropfenströmung unter laminaren Strömungsbedingungen angenähert werden kann.
Semibatch reaktorEdit
Ein Semibatch Reaktor wird sowohl mit kontinuierlichen als auch mit Batch-Ein- und Ausgängen betrieben. Ein Fermenter wird beispielsweise mit einer Charge Medium und Mikroben beladen, die ständig Kohlendioxid produzieren, das kontinuierlich entfernt werden muss. In ähnlicher Weise ist die Reaktion eines Gases mit einer Flüssigkeit normalerweise schwierig, da ein großes Gasvolumen erforderlich ist, um mit einer gleichen Flüssigkeitsmasse zu reagieren. Um dieses Problem zu überwinden, kann eine kontinuierliche Zufuhr von Gas durch eine Charge einer Flüssigkeit geblasen werden. Im Allgemeinen wird im Semibatch-Betrieb ein chemischer Reaktant in den Reaktor geladen und eine zweite Chemikalie langsam zugegeben (z.B. um Nebenreaktionen zu verhindern), oder ein Produkt, das aus einem Phasenwechsel resultiert, wird kontinuierlich entfernt, z.B. ein durch die Reaktion gebildetes Gas, ein ausgefallener Feststoff oder ein hydrophobes Produkt, das sich in einer wässrigen Lösung bildet.
Katalytischer Reaktorbearbeiten
Obwohl katalytische Reaktoren häufig als Pfropfenstromreaktoren implementiert werden, erfordert ihre Analyse eine kompliziertere Behandlung. Die Geschwindigkeit einer katalytischen Reaktion ist proportional zur Katalysatormenge, mit der die Reagenzien in Kontakt kommen, sowie zur Konzentration der Reaktanten. Bei einem Festphasenkatalysator und Flüssigphasenreagenzien ist dies proportional zur belichteten Fläche, zur Effizienz der Diffusion von Reagenzien in und aus Produkten und zur Wirksamkeit des Mischens. Eine perfekte Vermischung kann in der Regel nicht angenommen werden. Darüber hinaus tritt ein katalytischer Reaktionsweg häufig in mehreren Schritten mit Zwischenprodukten auf, die chemisch an den Katalysator gebunden sind; und da die chemische Bindung an den Katalysator auch eine chemische Reaktion ist, kann dies die Kinetik beeinflussen. Katalytische Reaktionen zeigen oft sogenannte falsified Kinetics, wenn sich die scheinbare Kinetik aufgrund physikalischer Transporteffekte von der tatsächlichen chemischen Kinetik unterscheidet.
Das Produkt des Katalysators ist ebenfalls eine Überlegung. Insbesondere in petrochemischen Hochtemperaturprozessen werden Katalysatoren durch Prozesse wie Sintern, Verkoken und Vergiften desaktiviert.Ein gängiges Beispiel für einen katalytischen Reaktor ist der Katalysator, der toxische Bestandteile von Autoabgasen verarbeitet. Die meisten petrochemischen Reaktoren sind jedoch katalytisch und für den größten Teil der industriellen chemischen Produktion verantwortlich, wobei Beispiele für extrem große Mengen Schwefelsäure, Ammoniak, Reformat / BTEX (Benzol, Toluol, Ethylbenzol und Xylol) und flüssiges katalytisches Cracken umfassen. Verschiedene Konfigurationen sind möglich, siehe Heterogenkatalytischer Reaktor.
