Die Chemische Reaktionstechnik beschäftigt sich als Teilgebiet der Technischen Chemie mit chemischen Reaktionen, die Stoffe umwandeln. Sie untersucht insbesondere den Übergang von kleinen Laborexperimenten in die großtechnische Produktion, auch „Scale-up“ genannt.
Die Hauptaufgabe in der Chemischen Reaktionstechnik oder auch Verfahrenstechnik ist die Gestaltung von chemischen Reaktoren. Folgende Aspekte müssen dabei berücksichtigt werden:
- Die Betriebsweise (kontinuierlich oder diskontinuierlich).
- Die Art, Größe und das Material des Reaktors.
- Die Betriebsbedingungen, darunter Druck, Temperatur, Konzentration, Katalysatoren und die Reinheit der Ausgangsmaterialien.
Reaktionstechnik Voraussetzungen
Vor der Hochskalierung einer Produktion werden kleinere Labor- oder Technikumsanlagen genutzt, um die Umsetzung zu prüfen. Dies erfordert ein Verständnis der chemischen Reaktionen, die in den Reaktoren stattfinden.
Es ist wichtig, die Stoffbilanz durch Stöchiometrie zu klären und Nebenreaktionen wie Parallel- und Folgereaktionen bei Druck- oder Temperaturänderungen zu berücksichtigen. Die Kenntnis dieser Nebenreaktionen ist entscheidend (Reaktionsnetzwerk).
Die Energiebilanz spielt eine wichtige Rolle. Insbesondere in größeren Reaktoren wird die Wärmezufuhr oder -abfuhr berücksichtigt. Die chemische Thermodynamik liefert die Grundlage für Wärmeberechnungen.
Die Zeitbilanz einer chemischen Reaktion ist ein weiterer entscheidender Faktor. Die chemische Kinetik, die die Reaktionsgeschwindigkeit in Bezug auf Temperatur und Konzentration beschreibt, spielt hierbei eine wichtige Rolle. Mit Hilfe der Zeitbilanz wird beispielsweise die tägliche Produktionsmenge in einer entsprechend dimensionierten Anlage berechnet.
Optimierung der spezifischen Produktleistung
Das Hauptziel besteht darin, die optimale Auslegung eines Reaktors zu bestimmen. Neben geringen Investitionen und Betriebskosten finden auch Sicherheitsaspekte und die Auswirkungen von Nebenprodukten auf nachfolgende Verfahrensschritte Berücksichtigung.
Die Betriebskosten hängen hauptsächlich vom Energiebedarf des Reaktors und von der erzielbaren spezifischen Produktleistung ab. Eine hohe spezifische Produktleistung, was einer minimalen Raumzeit entspricht, ist ein Ziel bei der stofflichen Optimierung. Die Optimierung der spezifischen Produktleistung hängt von den Eigenschaften der chemischen Reaktion ab. Konzentrationsführung, Stoffstromführung und Temperaturführung tragen dazu bei.
Die Investitionen in chemische Reaktoren sind stark abhängig vom Reaktorvolumen und der apparativen Komplexität. Die Optimierung der spezifischen Produktleistung geht jedoch automatisch mit einer Reduzierung des Reaktorvolumens einher (geringere Raumzeit). Um diese Aufgaben zu lösen, benötigt der Reaktionstechniker Kenntnisse in den folgenden Bereichen:
Chemische Reaktionskinetik, insbesondere bei komplexen Reaktionen und Reaktionsnetzwerken, sowie grundlegende Kenntnisse über Reaktionsmechanismen.
Chemische Katalyse, sowohl homogene als auch heterogene Katalyse (Mikro- und Makrokinetik heterogener katalytischer Reaktionen). Etwa 80 % der in der chemischen Industrie durchgeführten Reaktionen sind katalytisch.
Grundtypen chemischer Reaktoren, Idealreaktoren und die Kombination von Idealreaktoren.
Mikro- und Makrovermischung in Reaktionsapparaten, Verweilzeit und reales Verhalten.
Optimierung der spezifischen Produktleistung durch Konzentrationsführung, einschließlich umsatzorientierter Optimierung und angepasster Konzentrationsführung, sowie Stoffstromführung bei heterogenen Reaktionen.
Wärmehaushalt des Reaktors, einschließlich adiabatischer Reaktoren, isothermer Reaktoren, polytroper Reaktoren und die Kopplung von Stoff- und Wärmehaushalt.
Diese Themen sind auch Teil des Lehrplans im Bereich der chemischen Reaktionstechnik in der Technischen Chemie.
Dieser Eintrag basiert auf dem Artikel Chemische Reaktionstechnik aus der freien Enzyklopädie Wikipedia. Es gilt die GNU-Lizenz für freie Dokumentation. Eine Liste der Autoren ist auf Wikipedia verfügbar.
[…] Scale-up-Aufgaben beinhalten eine Vielzahl von Aktivitäten beim Übergang von Laborversuchen zur Produktionsanlage. Dazu gehören die Analyse potenzieller Prozessrisiken, das Verständnis von Reaktionskinetik und Thermodynamik, die Identifikation und Charakterisierung von Verunreinigungen, Studien zur Mischung und zum Stoffaustausch, Untersuchungen zur Wärmeübertragung und Abtragung sowie Kontrolle der Kristallisation und des Polymorphismus. Siehe auch chemische Reaktionstechnik. […]