zum Directory-modus

Praktikum Dehydratisierung

Stoffbilanz im Strömungsrohrreaktor

Charakteristika des Strömungsrohrreaktors

Großtechnische heterogen katalytische Verfahren werden meist in Strömungsrohrreaktoren durchgeführt. Der ideale Strömungsrohrreaktor wird von einem Massenstrom kontinuierlich durchströmt und ist durch folgende Charakteristika gekennzeichnet:

  • Zusammensetzung der Reaktionsmasse ändert sich mit zunehmendem Abstand vom Reaktoreingang
  • Pfropfenströmung, d.h. keine Diffusion und Wärmeleitung in axialer Richtung
  • Turbulente Strömung, d.h. vollständige Durchmischung in radialer Richtung
  • Keine Phasenänderung im Bilanzraum

In der Stoffbilanz sind also nur der Konvektionsterm und das Quellglied zu berücksichtigen.

Abb.1
Stoffbilanz im Rohrreaktor

Im Bild ist die Stoffbilanz im Rohrreaktor dargestellt. Dies wird als geschlossenes System betrachtet, wobei die einzelnen Bereiche folgendes symbolisieren: A: eintretender Stoffstrom ( n . A ) B: Bilanzraum ( d V R ) mit der Länge (dl); hier erfolgt die Reaktion (Stoffänderung ( d n . A ) ) C: austretender Stoffstrom ( n . A + d n . A )

Berechnungen

Für eine einfache volumenbeständige Reaktion (Edukt A reagiert zu Produkten) kann die Stoffbilanz für den Stoff A als partielle Differentialgleichung angegeben werden:

c A t = w . c A l + ν A r = v . c A V R + R A = c A τ + R A
w . = lineare Strömungsgeschwindigkeit l = Länge des differentiellen Volumenelementes   ( V R = F l ) F = Querschnittsfläche des Rohrreaktors v . = Volumendurchsatz   ( v . = F w . ) τ = hydrodynamische Verweilzeit   ( τ = V R v . ) R A = Stoffmengenänderungsgeschwindigkeit des Stoffes A   ( R A = ν A r )

Unter stationären Bedingungen wird: c A t = 0 Somit ergibt sich:

v . c A = n A . = R A V R
v . = Volumendurchsatz   ( v . = F w . ) c A = differentielle Konzentrationsänderung des Stoffes A n A . = differentielle mittlere Stoffmengenänderung des Stoffes A R A = Stoffmengenänderungsgeschwindigkeit (kmol/(m³·s)) V R = differentielle Änderung des Reaktorvolumens

und

d c A d τ = R A
d c A d τ = Konzentrationsänderung des Stoffes A bezogen auf die Verweilzeit R A = Stoffmengenänderungsgeschwindigkeit (kmol/(m³·s))

Bei heterogen-katalytischen Reaktionen wird die Reaktionsgeschwindigkeit meist auf die Katalysatormasse mk anstatt das Reaktionsvolumen VR bezogen.

v . d c A d m K = d n A . d m K = n 0 . d x A d m K = n . 0 d p A P d m K = R A , s
v . = Volumendurchsatz   ( v . = F w . ) d c A d m K = Konzentrationsänderung des Stoffes A bezogen auf die Katalysatormasse d n A . d m K = Änderung der mittleren Stoffmenge (kmol) des Stoffes A bezogen auf die Katalysatormasse n 0 . = Gesamtmoldurchsatz am Reaktoreingang m K = Katalysatormasse (kg) x A = Stoffanteil (Molenbruch) des Stoffes A p A = Partialdruck des Stoffes A P = Gesamtdruck R A , s = spezifische Stoffmengenänderungsgeschwindigkeit des Stoffes A bezogen auf Katalysatormasse (mol/(s·g))

Wenn die Konzentrationsänderung über die Länge der Katalysatorschicht gering ist, können die Differentialquotienten in der letzten Gleichung durch Differenzenquotienten ersetzt werden (Differentialreaktor).

Seite 3 von 11