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Praktikum Verweilzeit

Verhalten realer Reaktoren

In realen Reaktoren können verschiedene Strömungseffekte auftreten, die das ideale Verhalten mehr oder minder stark beeinflussen. Dies kann ungewollte Auswirkungen auf Reaktionsführung, Ausbeute oder Temperaturverlauf eines chemischen Prozesses haben.

Totzonen und Kurzschlussströmung

In technischen Reaktoren können "Totzonen" auftreten. Man versteht darunter Bereiche mit einer geringen Durchmischung der Reaktanden. Dadurch verringert sich das effektiv zur Verfügung stehende Reaktionsvolumen. Ein weiterer Effekt in realen Reaktoren ist die "Kurzschlussströmung". Durch ungünstige Anordnung von Zu- und Ablauf werden Teile des Reaktanden direkt in den Auslauf transportiert, ohne dass diese an der Reaktion teilnehmen.

Abb.1

Die Abbildung zeigt die jeweils typischen Abweichungen "Totzone" (1) und "Kurzschlussströmung" (2) sowie die ideale Vermischung (3) und die ideale Pfropfenströmung (4) in den entsprechenden Reaktoren.

Eine Kombination der Effekte "Totzone" und "Kurzschlussströmung" kann auch in Strömungsrohren auftreten (z.B. in Reaktoren mit Feststoff- bzw. Katalysatorschüttung). Es kommt dabei zur Kanalbildung in den Lückenvolumina der Schüttung, so dass ein Teil der Schüttung bevorzugt durchströmt wird und an anderen Stellen "Totzonen" entstehen.

Strömungsprofile, Strömungsart

Abb.2

Ein weiteres Kriterium realer Rohrreaktoren ist ein von der idealen Pfropfenströmung (1) abweichendes Strömungsprofil. Es treten somit radiale Konzentrations- und Temperaturdifferenzen auf, die von der jeweiligen Strömungsart - z.B. laminar (3) oder turbulent (2) - abhängig sind.

Segregation

Weitere Nichtidealitäten liegen im Mischungszustand des Reaktionsmediums begründet. Maximale Vermischung der Reaktanden findet nur bei niederviskosen Flüssigkeiten und Gasen statt. Bei unvollständiger Vermischung existieren dagegen örtliche Konzentrationsdifferenzen. Dieser Effekt wird als Segregation bezeichnet. Typisch ist die Segregation für heterogene Systeme wie Suspensionen und Emulsionen. Segregierte Elemente in einem Reaktor führen oft zu unterschiedlichen Aufenthaltszeiten und damit zu Abweichungen vom idealen Verhalten. Auch diese besondere Art von Nichtidealitäten können an Hand der experimentellen Bestimmung der Verweilzeit-Verteilung festgestellt werden.

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