Katalytische Fluid/Feststoff-Reaktionen


Reaktoren für heterogene Reaktionssysteme für Gas/Feststoff-Reaktionen werden in Festbett- und Wirbelbettreaktoren differenziert. Diese Checkliste strukturierte die prozesstechnische Auslegung von Rohrbündelfestbettreaktoren im Zuge der Vorplanung und der Basisplanung.

Im Zuge der Vorplanung erfolgt die Auslegung im Wesentlichen nach heuristischen Regeln. Die Basisplanung stützt sich auf detaillierte physiko-chemische Modelle, wobei die reaktionskinetischen Parameter wie Reaktionsgeschwindigkeitskonstanten k(T) bzw. Frequenzfaktoren k0 und Aktivierungsenergien EA sowie die mathematischen Ansätze zur Berechnung der Reaktionsgeschwindigkeiten r(ci, T) durch Laborexperimente ermittelt werden müssen.

Die Berechnung des Wärme- und Stofftransportes erfolgt auf Basis ähnlichkeitstheoretischer Ansätze mit Hilfe empirischer Korrelationsgleichungen (Nußelt-Funktionen für den Wärmeübergang und Sherwood-Korrelationen für den Stoffübergang).

Die Ermittlung der optimalen Prozessparameter und der notwendigen Geometrie (Volumina und Oberflächen) erfordert in der Regel die numerische Lösung der gekoppelten Bilanzen für Material und Enthalpie.

Die prozesstechnische Auslegung eines Rohrbündelfestbettreaktors ist ein iterativer Prozess. Um im Spannungsfeld variable Kosten / fixe Kosten eine Reaktorauslegung in der Nähe des Optimums minimaler Produktionskosten zu realisieren ist es notwendig, Umsatz und Selektivität des Reaktors dem Aufwand zur Produktaufbereitung und ggf. Rückführung nicht umgesetzter Edukte gegenüber zu stellen.

Der Zeitaufwand der prozesstechnischen Auslegung liegt für die Vorplanung in der Größenordnung von 16 - 40 h, für die Basisplanung müssen ca. 390 - 750 h angesetzt werden (Navarette, 2001).

Rohrbündelfestbettreaktoren
Rohrbündelfestbettreaktoren gehören zur Familie der Festbettreaktoren. Sie werden in der Regel für moderat bis stark exotherme heterogen-katalytische Gas/Feststoff-Reaktionen eingesetzt.

Der Katalysator befindet sich in Form einer Schüttung in den Rohren, das Wärmeträgermedium wird im Mantelraum geführt. Durch den kleinen Durchmesser der einzelnen Rohre im Bereich von 10 - 40 mm wird im Vergleich zum klassischen, adiabat betriebenen Festbettreaktor eine große volumenbezogene Oberfläche von 100 - 400 m2/m3 für den Wärmedurchgang Rohr/Mantel realisiert. Damit ist auch bei größeren Reaktionsenthalpien eine isotherme Betriebsweise bzw. eine definierte Temperaturführung möglich.

Als Wärmeträgermedien werden Kühlwasser (ohne Phasenübergang), Kesselspeisewasser (Verdampfung), organische Wärmeträgermedien (z.B. Marlotherm SH), Salzschmelzen, Gase oder überhitzter Wasserdampf verwendet.

Checkliste zur prozesstechnischen Auslegung von Festbettreaktoren (basic engineering)


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