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Tutorial MenuePraktikum Technische ChemieLerneinheit 6 von 6

Praktikum Verseifung

Reaktortypen

In der Technik unterscheidet man nach strömungstechnischen Gesichtspunkten zwischen drei Grundtypen von Reaktoren, die nachfolgend näher betrachtet werden sollen:

  • Diskontinuierlicher Rührkessel
  • Kontinuierlicher Rührkessel
  • Strömungsrohr

Bei der Rührkesselkaskade werden mehrere kontinuierliche Rührkessel in Reihe betrieben. Verfahrenstechnisch ist die Kaskade somit zwischen dem einzelnen kontinuierlichen Rührkessel und dem Strömungsrohr angesiedelt.

Diskontinuierlicher Rührkessel

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Abb.1

Der diskontinuierliche Rührkessel ist ein gut gerührter Kessel. Er ist durch eine vollständige Durchmischung gekennzeichnet. Die Ausgangsstoffe werden zu Beginn in das Reaktionsgefäß eingebracht, bis zum gewünschten Grad umgesetzt und schließlich aus dem Kessel entfernt. Bei idealem Verhalten wird der diskontinuierliche Rührkessel als homogen, nichtstationär arbeitender Reaktor bezeichnet. Dies bedeutet, dass die Zusammensetzung der Reaktionsmasse und damit die Reaktionsgeschwindigkeit zu einem gegebenen Zeitpunkt in jedem Volumenelement des Kessels gleich ist, sich jedoch zeitlich ändert.

Abb.2

(Abb. 2) zeigt a) die zeitliche und b) die örtliche Abhängigkeit der Konzentration einer abreagierenden Komponente A für den diskontinuierlichen Rührkessel. Die Konzentration der Reaktanden nimmt a) zeitlich ab und ist b) örtlich konstant. In diesem Fall haben alle Teilchen die gleiche Verweilzeit, weshalb man diesen Grenzfall als homogen, nichtstationär (bezüglich der Betriebsweise des Reaktors) bezeichnet.

Kontinuierlicher Rührkessel

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Abb.3

Der Reaktor stellt wiederum einen gut gerührten Kessel mit vollständiger Rückvermischung dar. Die Reaktionspartner werden kontinuierlich in den Reaktor eingeführt und gleichzeitig wird laufend Reaktionsmasse entnommen, so dass das Reaktionsvolumen im Kessel konstant bleibt. Bei idealem Verhalten wird der kontinuierliche Rührkessel als homogen, stationär arbeitender Reaktor bezeichnet. Dies bedeutet, dass im stationären Fall die Zusammensetzung der Reaktionsmasse und damit die Reaktionsgeschwindigkeit in jedem Volumenelement des Kessels zu jedem Zeitpunkt gleich ist und das abgenommene Gemisch die gleiche Zusammensetzung und Temperatur besitzt wie die Reaktionsmasse.

Abb.4

(Abb. 4) zeigt a) die zeitliche und b) die örtliche Abhängigkeit der Konzentration einer abreagierenden Komponente A für einen kontinuierlich betriebenen idealen Rührkessel. Die kontinuierlich zugeführten Reaktanden werden sofort vermischt und es wird ständig Produkt entnommen. Deshalb bezeichnet man diesen Grenzfall als homogen, stationär, d.h. die Zusammensetzung des Reaktionsgemisches und die Reaktionsgeschwindigkeit sind zu jedem Zeitpunkt und an jedem Ort für alle Reaktionskomponenten im Reaktor gleich.

Strömungsrohr

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Abb.5

Der Reaktor ist ein Rohr, dessen Durchmesser konstant und klein gegenüber seiner Länge ist. Das Ausgangsgemisch wird kontinuierlich zugeführt und am Ende entnommen. Im Idealfall tritt in Strömungsrichtung keine Rückvermischung der Reaktionsmasse auf (Pfropfenströmung), d.h. Zusammensetzung und Temperatur der Reaktionsmischung sind über jeden beliebigen Querschnitt des Rohres konstant. Er wird als nichthomogen, stationär arbeitender Reaktor bezeichnet.

Abb.6

(Abb. 6) zeigt a) die zeitliche und b) die örtliche Abhängigkeit der Konzentration einer abreagierenden Komponente A im idealen Strömungsrohr mit idealer Pfropfenströmung. Die Verweilzeit ist für alle Teilchen gleich und entspricht der mittleren, hydrodynamischen Verweilzeit. Die Zusammensetzung der Reaktionsmischung ist über den Querschnitt des Rohres (radial) konstant und es erfolgt keine Vermischung der Reaktanden in Strömungsrichtung (axial).Die Konzentration ist an jedem Punkt des Strömungsrohres zeitlich konstant. In Strömungsrichtung (axial) treten jedoch entsprechend der jeweiligen Reaktion Konzentrationsgradienten auf, weshalb dieser Grenzfall als nichthomogen, stationär bezeichnet wird.

Reaktorkaskade

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Abb.7

Der Reaktor besteht aus einer Anzahl von kontinuierlichen Rührkesseln, die in Reihe geschaltet sind. Die Kaskade stellt eine Übergangsform zwischen den beiden Grenzfällen der kontinuierlichen Reaktionsführung dar. Geht die Anzahl der Kessel gegen unendlich, entspricht die Kaskade reaktionstechnisch und formal dem Strömungsrohr.

Abb.8

In der betrieblichen Praxis wird die Serienschaltung von kontinuierlich betriebenen Rührkesseln zu einer Rührkesselkaskade häufig angewendet. Hierbei ergibt sich für die Gesamtheit einer Kaskade von idealen (kontinuierlichen) Rührkesseln ein treppenförmiger Konzentrationsverlauf der Reaktanden (siehe (Abb. 8) ). Mit steigender Kesselanzahl gleicht sich dieser Konzentrationsverlauf der Charakteristik des Strömungsrohres an.

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