Chemische Reaktoren und Elektrochemie: Typen, Prinzipien und Anwendungen

1. Reaktoren: Verweilzeit, Raum-Zeit und Geschwindigkeit

1.1. Verweilzeit (Residence Time)

Die Verweilzeit (Tr) ist das Intervall, das ein Flüssigkeitselement im Inneren des Reaktors verbringt. Für einen Reaktor mit konstantem Volumenstrom (RFT) ist die Verweilzeit für alle Elemente der Abwasserflüssigkeit gleich.

Formel: Tr = Vr / Vf

• Vr: Reaktorvolumen
• Vf: Volumenstrom des Mediums

1.2. Raum-Zeit (Space Time)

Die Raum-Zeit ist das Reaktorvolumen geteilt durch den Volumenstrom des Mediums. Sie besitzt die Dimensionen der Zeit.

1.3. Geschwindigkeit (Velocity)

Die Geschwindigkeit ist der Kehrwert der Raum-Zeit.

2. Typen heterogener Reaktoren und ihre Eigenschaften

2.1. Festbettreaktor (Fixed Bed Reactor)

Dieser Reaktortyp verwendet einen Katalysator, der das Bett füllt. Eine Regeneration des Katalysators ist in zwei Arbeitszyklen möglich.

Wichtige Betriebsparameter und Dimensionierung:

• Die Partikelgröße des Katalysators sollte nicht zu klein sein.
• Wichtig bei Gradienten.
• Kleine Durchmesser, moderate Druckschwankungen.
• Katalysatoren mit langer Lebensdauer.
• Einfache Bedienung und einfache Änderung der Größenordnung.
• Relativ geringe Kosten.

2.2. Wirbelschichtreaktor (Fluidized Bed Reactor)

Hier kann der Katalysator außerhalb regeneriert werden.

Eigenschaften:

• Praktisch isotherm.
• Großer Durchmesser.
• Kleine Partikelgröße.
• Große Druckschwankungen.
• Katalysatoren mit kurzer Lebensdauer.
• Abrieb ist wichtig.
• Schwierige Bedienung und Skalierung.
• Relativ geringe Kosten.

2.3. Weitere Reaktoren

Andere Reaktoren werden je nach den Bedingungen der jeweiligen Reaktion eingesetzt, wie z.B. der Moving Bed Reactor, der Slurry Reactor oder der Festbettreaktor (R. Festbett).

3. Elektrochemie

Die Elektrochemie befasst sich mit der Erzeugung oder Nutzung elektrischer Energie durch chemische Reaktionen, die auf Redoxprozessen basieren. Die wichtigsten elektrochemischen Prozesse sind die Elektrosynthese und die Elektrodialyse.

4. Elektrosynthese: Definition, Funktionen und Komponenten

4.1. Definition und Funktionsweise

Die Elektrosynthese ist eine Technologie, die eine chemische Reaktion in einer Lösung ermöglicht, bei der anorganische oder organische Stoffe reduziert werden können. Dies geschieht durch die Anwendung einer externen Spannungsquelle, die einen elektrischen Strom zwischen zwei Elektroden erzeugt, wodurch Oxidation und Reduktion stattfinden.

4.2. Charakteristika

Die Elektrosynthese zeichnet sich durch heterogene Prozesse aus, bei denen eine feste Phase (Elektrode) mit einer flüssigen Phase (Elektrolyt) interagiert. Die Reaktion erfolgt durch die direkte Einwirkung des elektrischen Stroms auf die Komponenten der Lösung.

4.3. Selektivität und Kontrolle

Die Selektivität einer Verbindung in einem Elektrosyntheseprozess wird durch die Steuerung des Elektrodenpotenzials erreicht. Dies ermöglicht die selektive Gewinnung von Produkten ohne die Bildung unerwünschter Nebenprodukte. Die selektive Entfernung und Reaktion von Elektronen ist oft einfacher als die Kontrolle über die reine Chemie, was Umweltprobleme reduzieren kann.

4.4. Komponenten der elektrochemischen Zelle

Die Komponenten eines elektrochemischen Reaktors (oder einer elektrochemischen Zelle) umfassen:

1. Kathode
2. Anode
3. Membran (optional, je nach Zelltyp)
4. Promotoren der Turbulenz
5. Anolyt
6. Gleichrichter

5. Elektrodialyse

Die Elektrodialyse ist eine Elektromembran-Technologie. Sie ermöglicht die selektive Gewinnung von ionisierten organischen und anorganischen Substanzen aus einer wässrigen Lösung durch den Einfluss eines kontinuierlichen elektrischen Feldes und den Einsatz von Ionenaustauschermembranen.

6. Elektrische Stromdichte

Die elektrische Stromdichte beeinflusst mehrere wichtige Parameter:

• Die Geschwindigkeit der Verarbeitung.
• Die Selektivität.
• Die Stromausbeute.
• Den spezifischen Energieverbrauch.
• Die Korrosionsgeschwindigkeit der Elektrode.

Industrielle Perspektive: Es ist entscheidend, den Prozess bei hoher Stromdichte und niedriger Durchtrittsüberspannung durchzuführen, um die Produktivität zu maximieren und den Energieverbrauch zu minimieren.