Rohrförmiger Kolben- bzw. Stopfenstromreaktor und Rührkesselreaktor

Rohrförmiger Kolben- oder Stopfenstromreaktor (Plug-Flow)

Allgemeine Merkmale, Phasen, Strömung, Zusammensetzung und Temperatur

Eigenschaften: Es ist ein Reaktor, der kontinuierlich betrieben wird. Die Reaktion findet in Form einer ständigen Bewegung im Rohr statt. Alle Reagenzien bewegen sich in eine gewählte Richtung; die Flüssigkeit verhält sich wie ein Flüssigkeitsstopfen. Alle Elemente durchlaufen gleichzeitig den Reaktor, ohne Rückströmungen. Alle Eigenschaften sind an jedem Querschnitt praktisch konstant, sie variieren jedoch längs des Rohres. Diese Bedingungen treten auf, wenn die axiale Dispersion vernachlässigbar ist und eine vollständige Vermischung in radialer Richtung vorliegt.

Phasen

• 1. Homogen: Einsatz für Gasphasenreaktionen und einige schnelle Reaktionen in der flüssigen Phase. In diesem Reaktor enthält die Reaktionszone nur die reagierende Flüssigkeit. Er wird häufig unter isothermen Bedingungen betrieben.
• 2. Heterogen: Für katalytische Reaktionen wird der Reaktor mit einem festen Katalysator (Granulat) gefüllt. Dieser Aufbau ist als Festbettreaktor bekannt (z. B. Synthese von Ammoniak, Methanol, etc.).

Aufbau

Der Reaktor besteht aus einem zylindrischen Rohr mit großem Durchmesser oder aus einer Reihe von parallelen Röhren, die zwischen zwei Köpfen eingefügt sind. Rohre können einen Durchmesser von wenigen Zentimetern haben, um eine größere Querschnittsfläche zu erzielen, oder mehrere Meter lang sein.

Strömung

Die Reagenzien strömen axial, in der Regel von oben nach unten, in einem Rohr. Es gibt jedoch auch Konfigurationen, bei denen die Strömung nicht so einfach axial verläuft. In manchen Anlagen strömt das reagierende Gas in einem perforierten Zylinder und durch den Katalysator, der zwischen dem Zylinder und einem zentralen Rohr angeordnet ist, welches das Produkt aufnimmt. Obwohl die Strömung radial erfolgt, erfüllt das System dennoch den Zustand des Plug-Flow, da durch Vermischung zwischen den Schichten eine effektive Durchmischung erreicht wird.

Zusammensetzung

Die Zusammensetzung ändert sich in Fließrichtung. Die Zusammensetzung kann jedoch auch in Richtungen senkrecht zur Strömungsrichtung variieren, z. B. durch Temperaturgradienten, Geschwindigkeitsgradienten oder eine Kombination davon.

Wärme und Temperatur

Der Reaktor kann manchmal adiabatisch betrieben werden; in anderen Fällen erfolgt ein Wärmeaustausch über die Reaktorwand. Im ersten Fall steigt die Temperatur entlang der Strömungsrichtung bei exothermen Reaktionen und fällt bei endothermen Reaktionen. In einigen Fällen ist es notwendig, die Reaktionspartner vor der Reaktion zu erwärmen. Sobald die Reaktion begonnen hat, ist es oft erforderlich, Wärme über die Wand abzuleiten, damit Nebenreaktionen nicht entstehen.

Rührkesselreaktor, Kontinuumshypothese, Eigenschaften und Betriebsprobleme

Allgemeine Beschreibung

Gegenwärtig ist ein Rührkesselreaktor ein Behälter, durch den Ströme kontinuierlich durchfließen; das Reaktionsmaterial reagiert konstant und das Produkt wird mit einer Zusammensetzung abgezogen, die der Reaktionszusammensetzung im Reaktor entspricht.

Betriebsweise und Ziel

Rührkessel sollten in Reihe geschaltet werden (mehrere Reaktoren hintereinander), um bessere Ergebnisse zu erzielen. Ziel ist es, für jede Kammer eine gute Durchmischung zu erreichen, sodass das gesamte Volumen für die Reaktion genutzt wird und tote Zonen vermieden werden (keine toten Räume).

Betriebszustand

Der Betrieb erfolgt stationär (dauerkontinuierlich). Der Rührkessel eignet sich besonders für flüssige Phasenreaktionen.

Komplikationen und Probleme

• Komplikationen treten auf, wenn die Viskosität zu hoch ist oder tote Zonen erscheinen.
• Kurzschlüsse (Bypässe) können auftreten, wenn die Durchmischung nicht ausreichend ist.

Hypothese

Typische Annahme: perfekte Mischung im gesamten Volumen (Idealisierung).