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Praktikum Verweilzeit

Modelle idealer Reaktoren

Reaktoren werden nach der Betriebsweise in diskontinuierliche (Satzbetrieb) und kontinuierliche Reaktoren (Fließbetrieb) eingeteilt. Bei den kontinuierlichen Reaktoren sind die strömungstechnisch idealen Grenzfälle durch den idealen Rührkesselreaktor bzw. das ideale Stömungsrohr gegeben. Nachfolgend werden a) die zeitliche und b) die räumliche Abhängigkeit der Ein- und Ausgangskonzentration eines Stoffes A (cA,E und cA,A) unter stationären Reaktionsbedingungen für den idealen Rührkessel, das ideale Stömungsrohr und den diskontinuierlichen Rührkessel dargestellt und erläutert:

Kontinuierlich betriebener idealer Rührkessel

Abb.1

(Abb. 1) zeigt a) die zeitliche und b) die räumliche Abhängigkeit der Konzentration einer abreagierenden Komponente A für einen kontinuierlich betriebenen idealen Rührkessel. Die kontinuierlich zugeführten Reaktanden werden sofort mit dem Reaktorinhalt vermischt und es wird ständig Produkt entnommen.Man bezeichnet diesen Grenzfall als homogen, stationär, d.h. die Zusammensetzung des Reaktionsgemisches und die Reaktionsgeschwindigkeit sind zu jedem Zeitpunkt und an jedem Ort für alle Bestandteile im Reaktor durch die vollständige Rückvermischung gleich.

Ideales Strömungsrohr

Abb.2

(Abb. 2) zeigt a) die zeitliche und b) die räumliche Abhängigkeit der Konzentration einer abreagierenden Komponente A für das ideale 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. Dieser Grenzfall wird als nichthomogen, stationär bezeichnet.

Diskontinuierlicher Rührkessel

Abb.3

(Abb. 3) zeigt a) die zeitliche und b) die räumliche Abhängigkeit der Konzentration einer abreagierenden Komponente A für den ideal durchmischten, diskontinuierlich betriebenen Rührkessel. Er ist ebenfalls durch eine vollständige Vermischung gekennzeichnet. Die Reaktanden werden in den Reaktor eingebracht, nach Reaktionsende werden die Produkte entnommen. Die Konzentration der Reaktanden nimmt a) zeitlich ab und ist b) örtlich konstant. In diesem Fall haben alle Teilchen die gleiche Verweilzeit. Man bezeichnet diesen Grenzfall als homogen, nichtstationär (bezüglich der Betriebsweise des Reaktors).

Kaskade idealer Rührkessel

Abb.4

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 Rührkesseln ein treppenförmiger Konzentrationsverlauf der Reaktanden (siehe (Abb. 4) ). Mit steigender Kesselanzahl n gleicht sich dieser Konzentrationsverlauf der Charakteristik des Strömungsrohres an.

Nimmt n den Wert unendlich an, so entspricht die Charakteristik der Rührkesselkaskade der des Strömungsrohres. Für kleine n (geringe Kesselanzahl) weicht die Verweilzeit eines großen Teils der Moleküle von der mittleren Verweilzeit ab. Mit steigender Kesselanzahl nimmt die Annäherung an die mittlere Verweilzeit zu (enges Verweilzeitspektrum).

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