Maßstabsvergrößerung katalytischer Reaktoren

16. - 17. März 2020
Frankfurt am Main
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Der Reaktor ist das Herz aller industriellen 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 eine 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 (Reaktorvolumen, 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 Höhe zu Durchmesser oder die volumenbezogene Oberfläche des Apparats ergeben sich meist aus Überlegungen zum zulässigen Druckverlust sowie zum zuverlässigen und 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 Kriterien, die die Basisplanung dominieren.

Die nach dem Stand der Technik zur Durchführung heterogen-katalytischer Reaktionen 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 ähnlichkeitstheoretischer Kennzahlen für z.B. den Wärme- und Stoffübergang. Der Designprozess wird durch Checklisten geführt und durch heuristische Regeln ergänzt.

Seminarziel

Programm

Dozent

Zielgruppe

Form der Wissensübermittlung

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Bildquelle: BASF Corporate History

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