Temperaturführung im Festbettreaktor

Die technische Ausführung des Festbettreaktors wird weitgehend durch die Art der Temperaturführung bestimmt.

Isotherme Reaktionsführung

Für die isotherme Reaktionsführung (Reaktionsführung bei konstanter Temperatur) wird vorausgesetzt, dass die gesamte Wärme, die durch die Reaktion erzeugt oder verbraucht wird, ab- oder zugeführt werden kann. Die Temperatur ist zeitlich und örtlich konstant. Streng isotherme Bedingungen lassen sich in technischen Reaktoren nur durch direkte Verdampfungskühlung, bei kontinuierlicher Betriebsweise auch durch vollständige Rückvermischung erreichen. Die isotherme Reaktionsführung wird deshalb in technischen Festbettreaktoren kaum zu verwirklichen sein, da es wegen des großen technischen Aufwands meist unmöglich ist, eine konstante Temperatur allein durch indirekten Wärmeaustausch (Wärmetauscher) zu realisieren.

Adiabatische Reaktionsführung

In einem adiabatischen System findet, abgesehen von Strahlungsverlusten über die Reaktorwand, näherungsweise kein Wärmeaustausch mit der Umgebung statt. Bei guter Wärmeisolation des Reaktors ist die adiabatische Reaktionsführung technisch einfach zu realisieren, und Festbettreaktoren werden aus ökonomischen Gründen bevorzugt adiabatisch betrieben oder in adiabatisch betriebene Abschnitte (Horden) unterteilt. Radiale Konzentrations- und Temperaturgradienten innerhalb des Festbettreaktors können dann nur durch Unterschiede der Strömungsgeschwindigkeit in radialer Richtung bedingt sein. Bei adiabatischer Reaktionsführung steigt die Reaktionstemperatur T linear mit dem Umsatz X an, wenn eine konstante Reaktionsenthalpie Δ H R und eine spezifische Wärmekapazität c ¯ p vorausgesetzt werden:

(1)

T = T 0 + ( − Δ H R ⋅ c 0 ρ 0 ⋅ c ¯ p ) ⋅ ( n i , 0 − n i n i , 0 ) = T 0 + Δ T ad ⋅ X

Symbol	Erklärung	Einheit
T	absolute Temperatur	K
T 0	Eintrittstemperatur zur Zeit t=0	K
X	Umsatz	-
Δ T ad	adiabatische Temperaturerhöhung	K
Δ H R	Reaktionsenthalpie	J ⋅ mol − 1
c 0	Anfangskonzentration	mol ⋅ m − 3
c ¯ p	mittlere Wärmekapazität	J ⋅ kg − 1 ⋅ K
ρ 0	Dichte	kg ⋅ m − 3
n i ,0	Eingangsstoffmenge der Komponente i	mol
n i	Stoffmenge der Komponente i	mol
Tab.1Legende

Die maximale adiabatische Temperaturerhöhung Δ T ad bzw. die Steigung der Geraden wird sowohl durch die eingesetzte Anfangskonzentration c 0 als auch durch die mittlere Wärmekapazität c ¯ p des Reaktors einschließlich der Reaktionsmasse beeinflusst.

Lineare+Abh%C3%A4ngigkeit+zwischen+Umsatzgrad+X+und+Temperatur+T+bei+adiabatischer+Reaktionsf%C3%BChrung

Abb.1Lineare Abhängigkeit zwischen Umsatzgrad X und Temperatur T bei adiabatischer Reaktionsführung

Polytrope Reaktionsführung

Wird die Reaktion weder adiabatisch noch isotherm durchgeführt, spricht man von polytroper Reaktionsführung. In vielen Fällen ist eine adiabatische Reaktionsführung nicht möglich, z.B. wenn die Temperatur im Reaktor einen bestimmten Maximalwert nicht überschreiten darf. Zur Aufrechterhaltung einer bestimmten Reaktionstemperatur müssen Maßnahmen zur Temperaturlenkung getroffen werden:

Heizen oder Kühlen während der Reaktion, z.B. durch Zugabe von Inertmaterial oder Reaktionskomponenten, deren Wärmekapazitäten c ¯ p zur Temperatursteuerung genutzt werden
Indirekter Wärmeaustausch im Reaktor durch Austauschflächen wie Heiz- bzw. Kühlspiralen (isotherme oder polytrope Reaktionsführung)
Zirkulation des gesamten oder eines Teils des Reaktionsgemisches durch einen äußeren, vom Reaktionsapparat getrennten Wärmetauscher

Vertiefung: Temperaturverläufe für eine exotherme Reaktion anhand einer grafischen Temperatur-Zeit-Darstellung

Beispiel: Berechung des Temperaturverlaufs bei der katalytischen Oxidation von o-Xylol im Festbettreaktor

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