Seminar Maßstabsvergrößerung katalytischer Reaktoren


Der Reaktor ist das Herz aller technischen Synthesen. Mehr als 90 % der chemischen Produkte werden heterogen-katalytisch hergestellt.

Die meist auf der inneren Oberfläche eines partikelförmigen keramischen Trägers fein dispers verteilten katalytisch aktiven Komponenten müssen dabei mit den gasförmigen oder flüssigen Reaktanten in Kontakt gebracht werden. Die effektive Reaktionsgeschwindigkeit wird daher in der Regel signifikant von Effekten des Stoff- und Wärmetransport beeinflusst.

Bei Auswahl, Dimensionierung und Maßstabsvergrößerung chemischer Reaktoren müssen ein große Anzahl von Aspekten berücksichtigt werden. Die optimale Reaktorgeometrie und die optimale Reaktionsführung werden dabei im Spannungsfeld variable Kosten (spezifischer Rohstoff- und Energiebedarf, Druckverlust) vs. fixe Kosten (Volumen, Verhältnis Höhe / Durchmesser, Apparatekosten) identifiziert.

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 Länge / Durchmesser oder die volumenbezogene Oberfläche des Apparats ergeben sich meist aus Überlegungen zum zulässigen Druckverlust und zur zuverlässigen und zum sicheren Abtransport der Reaktionswärme.

Die Beherrschbarkeit des Reaktors bzw. der Abstand des gewählten Betriebspunktes vom Runaway bzw. seine intrinsische Stabilität sowie das erwartete Verhalten bei Ausfall der Kühlung sind die, die Basisplanung dominierenden Kriterien.

Die zur Durchführung heterogen-katalytischer Reaktionen nach dem Stand der Technik entwickelten Reaktoren gehen auf zwei Familien chemischer Reaktoren zurück:

1) die Familie der Festbettreaktor und
2) die Familie der Wirbelbettreaktor.

Die wichtigsten Kriterien zur Auswahl eines geeigneten Subtyps dieser Familien sind der Druckverlust, der spezifische Wärmestrom, die Partikelgröße des Katalysatorträgers und die Katalysatorstandzeit.

Im Rahmen des Seminars werden Methoden zur Maßstabsvergrößerung und Basisplanung katalytischer Reaktoren vermittelt. Diese basieren auf der Lösung der relevanten Bilanzgleichungen für Material und Enthalpie. Ergänzt werden diese durch Anwendung der relevanten ähnlichkeitstheoretische Kennzahlen für z.B. den Wärme- und Stoffübergang. Der Designprozess wird durch Checklisten geführt und durch heuristische Regeln ergänzt.

Inhalte
Einführung
Kennzahlen zur Charakterisierung eines Reaktionssystems
Reaktorauswahl

Basisplanung (basic engineering)
- Stoffwerte
- Reaktionsgleichgewicht
- Reaktionskinetik
- Stofftransport
- Wärmetransport
- Druckverlust
- sicherheitstechnische Analyse (runaway)
- Checklisten zur Basisplanung
- Apparatedatenblatt

Maßstabsvergrößerung
- vom Labor ins Technikum / zur Mini-Plant
- vom Technikum zur Pilotanlage / Produktion
- ähnlichkeitstheoretische Kennzahlen
- Lösung der Bilanzgleichungen für Material und Enthalpie

Anwendungsbeispiele
- Festbettreaktor
- Hordenreaktor
- Rohrbündelfestbettreaktor
- Slurry-Reaktor
- Wirbelbettreaktor
Kostenschätzung

Teilnehmerkreis
Verfahrenstechniker, Prozesstechniker, Chemieingenieure und Technische Chemiker aus allen Bereichen der Prozessindustrie, die sich mit der Auslegung und Maßstabsvergrößerung chemischer Reaktoren für heterogen-katalytische Synthesen beschäftigen.

Fachliche Voraussetzung für die erfolgreiche Teilnahme an dem Seminar sind ein routinierter Umgang mit algebraischen Gleichungen, Grundkenntnisse der Integral- und Differentialrechnung, Grundlagen der Reaktionskinetik und der chemischen Thermodynamik sowie zum Stofftransport durch Diffusion und Stoffübergang an Phasengrenzen und zum Wärmetransport durch Wärmeleitung, Wärmestrahlung und Wärmeübergang.

Spezifische Programmierkenntnisse werden nicht benötigt.

Form der Wissensübermittlung
Referate, Diskussion, Berechnungsbeispiele, Übungen am PC mit Tabellenkalkulation, ausgedruckte Seminarunterlagen als Tischvorlage