Chemischer Reaktor
Ansicht eines emaillierten Rührkessels
Skizze eines Rührkessels
Der Chemische Reaktor ist der Teil einer Anlage, in dem chemische Prozesse ablaufen und in dem chemische Umsetzungen durchgeführt werden.
Bauformen
Chemische Reaktoren gibt es in zwei wesentlichen Ausformungen,
- dem Rührkessel und
- dem Strömungsrohr, einem Durchflussreaktor.
Betriebsarten
Beide Reaktortypen können im (diskontinuierlichen) Satz- oder Batchbetrieb und dem kontinuierlichen Verfahren betrieben werden. Im Satzbetrieb wird ein Rührkessel mit Edukten befüllt und nach der möglichst vollständig abgelaufenen Reaktion werden die Produkte aus dem Rührkessel entnommen. Im kontinuierlichen Betrieb werden laufend Edukte einem Rührkessel oder Strömungsrohr zugeführt und das Produkt kontinuierlich abgezogen.
Auslegung
Die Auslegung eines chemischen Reaktors ist Aufgabe der chemischen Reaktionstechnik. Für die gerätetechnische und betriebswirtschaftliche Berechnung werden folgende Einflussgrößen benötigt, um die Zielgröße zu optimieren.
- Für den Ablauf der Gesamtreaktion und wesentlicher Teilprozesse sollten Reaktionsmechanismus, Kinetik und Wärmebilanz bekannt sein.
- Für die Reaktorgröße sind Werte zum Stofftransport, wie Strömungsart, Vermischung, und dazu Stoffdaten zur Viskosität und zum Wärmekoeffizienten notwendig.
- Aus der Wärmebilanz und dem Reaktionsablauf ergeben sich Aussagen zum Kühlungs- oder Heizbedarf.
- Spezielle Gefahren, die sich aus den beteiligten Substanzen (Korrosivität, Reaktivität von Zwischen- oder Nebenprodukten, mögliches thermisches Durchgehen) und aus den Reaktionsbedingungen (extreme Temperaturen, Druckgefäß) ergeben, müssen bekannt sein.
- Schließlich muss geklärt sein, wie die Edukte zugegeben und die Produkte abgeführt werden (Reinigung, Rückführung, nachfolgende Reaktionen).
Für diese Auslegung werden zunächst meist idealisierte Reaktoren betrachtet. Darunter versteht man Modelle des angestrebten Reaktionsgefäßes, die auf Grund von Vereinfachungen die mathematische Modellierung ermöglichen.
Für den Entwurf chemischer Reaktoren werden in einem ersten Schritt überwiegend software-basierte Modelle verwendet (Prozesssimulation). In einem zweiten Schritt werden die mathematischen Modelle optimiert, indem die Reaktoren im Labormaßstab aufgebaut werden, möglicherweise auch im Technikumsmaßstab. Schließlich wird die Anlage per Scale-up in Produktionsgröße gebaut.
Spezielle Bauformen
- Bei der Herstellung von Polymeren wird die Bauform durch die oft extrem hohen Viskositäten der Reaktionsgemische beeinflusst.
- Katalytische Prozesse erfordern die benötigten großen Kontaktflächen mit festen katalytischen Materialien zu schaffen.
- Für biotechnologische Prozesse sind wegen der Temperaturempfindlichkeit biologischer Stoffe spezielle Bauformen notwendig.
Verschiedene Reaktoren in der Chemieproduktion
In der chemischen Produktion unterscheidet man zwischen verschiedenen Reaktoren. Der bekannteste in der Chemie ist der Rührbehälter (auch Rührkessel genannt). In Rührkesseln werden chemische Reaktionen in flüssiger Phase durchgeführt. Die Reaktionszeit ist relativ lang. Die verarbeiteten Mengen sind je nach Rührbehältergröße und Verweilzeit unterschiedlich. Rührbehälter sind große Behälter aus Stahl, die mit einem Rührer und Heizmantel ausgestattet sind. Durch Stutzen ragen Stromstörer in den Behälter. Sie verhindern, dass der gesamte Behälterinhalt mit dem Rührer mitrotiert und durchmischen die Reaktionspartner. Weitere Stutzen im Deckel sorgen für den Zulauf der Reaktionsstoffe und dienen zum Einführen von Messinstrumenten. Am Boden des Rührkessels befindet sich der Ablaufstutzen, der mit einem Ventilteller geöffnet und geschlossen wird. Im Rührkessel werden chargenweise Reaktionen durchgeführt, die bei Umgebungsbedingungen oder mäßig erhöhtem Druck und Temperatur bis ca. 250 °C ablaufen.
Je nach den Betriebsanforderungen bestehen die Rührkessel aus unlegiertem bzw. legiertem Stahl oder sie sind plattiert, emailliert (glasbeschichtet) oder gummiert. Für besonders aggressive Medien (z.B. HF und HCl) können Auskleidungen aus Perfluoralkoxylalkan (PFA) eingesetzt werden, die je nach Medium und Bauform bis zu einer Temperatur von 250 °C beständig sind.
Außerdem dazu gibt es noch Hochdruck-, Hochtemperatur-, Rohr-, Schlaufen- und Wirbelschichtreaktoren.
Weblinks
Commons: Chemische Reaktoren – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien