Idealreaktoren

Chemische Reaktionen finden in der Chemischen Reaktionstechnik in sogenannten Reaktoren statt. Da die Hydrodynamik solcher Reaktoren äußerst kompliziert ist, werden diese Reaktoren idealisiert betrachtet. Das bedeutet, dass mathematisch schwierig erfassbare reale Bedingungen, die in der Praxis jedoch immer in einem gewissen Rahmen vorhanden sind, wie z. B. unvollständige Rückvermischung oder turbulente Strömung mit laminaren Bereichen an der Reaktorwand, durch einfache Bedingungen, wie z. B. vollständige Rückvermischung oder ideale Pfropfenströmung ersetzt werden. Dies ermöglicht es, Konzentrations- oder Temperaturverläufe als analytische Lösung der Bilanz-Differentialgleichungen zu gewinnen. Im allgemeinen wird zwischen folgenden idealen Reaktoren unterschieden:

Diskontinuierlicher Betrieb

Beim diskontinuierlichen Betrieb wird der leere Reaktor mit den Ausgangsstoffen und den gegebenenfalls notwendigen Lösemitteln befüllt und die chemische Reaktion läuft an. Nach Abschluss der Reaktion wird der Inhalt mit den Produkten und den übriggebliebenen Edukten entnommen. Der Reaktor wird gesäubert, bevor er wieder eingesetzt wird. Wird ein Reaktor so verwendet, bezeichnet man ihn auch als Satzreaktor (engl.: batch reactor).

Der diskontinuierliche, ideale Rührkessel

(engl.: Stirred tank reactor (STR), oder auch Batch-Reaktor) In einem idealen Rührkessel erfolgt eine "ideale", also sehr gute Durchmischung der Reaktionsmasse. Sie soll so gut sein, dass im Reaktorraum zu einem diskreten Zeitpunkt und an allen Stellen die Konzentrationen exakt gleich sind und die gleiche Temperatur vorliegt. Die Konzentration (c) und die Temperatur (T) sollen also räumlich „gradientenfrei“ sein. Es gilt also für eine räumliche Dimension (x), dass der grad(c) = 0 und grad(T) = 0 ist:

$\frac{\partial c}{\partial x} = 0$ und $\frac{\partial T}{\partial x} = 0$.

Die Konzentrationen der an der Reaktion beteiligten Stoffe ändern sich hingegen mit der Zeit und sind Abhängig von dem „Wesen“ der ablaufenden chemischen Reaktion. Der Konzentrationsverlauf wird durch die chemische Reaktionskinetik beschrieben. Der Rührkessel ist „räumlich (konzentrations-)stationär“, ist aber „zeitlich (konzentrations-)instationär“.

Kontinuierlicher Betrieb

Beim kontinuierlichen Betrieb wird der Reaktor an einer Stelle kontinuierlich mit neuen Edukten befüllt und an anderer Stelle zusammen mit den gebildeten Produkten kontinuierlich entnommen.

kontinuierlicher, idealer Rührkessel (KIK)

(engl.: Continuously stirred Tank reactor (CSTR)) Es findet eine vollständige Rückvermischung statt. Unter „ideal“ sei hier nämlich auch gleichzeitig verstanden, dass die zufließenden Edukte mit unendlich hoher Geschwindigkeit mit der Masse im Reaktionsraum „Rührkessel“ vermischt werden. Da ja bedingt durch die chemische Reaktion die Menge pro Volumeneinheit (d. h. Konzentration) der jeweiligen Edukte im Reaktionsraum (Rührkessel) niedriger sein wird als im Zulaufstrom, weil die Edukte ja im Reaktor miteinander reagieren und damit Edukt verbraucht wird, haben wir an der Eintrittsstelle einen so genannten „Konzentrationssprung“. Das bedeutet kurz gesagt: sowie die Edukte in den Kessel kommen, ist ihre Konzentration sofort auf die im Kessel herrschende niedrigere Konzentration abgesunken.

Die Konzentrationen aller Stoffe (also auch der Produkte) im Auslauf des Kessels sind zeitlich und örtlich gleich, das nennt man „örtlich und zeitlich stationär = raumzeitstationär“. Etwas schwieriger ist das Verständnis für folgende Eigenschaft des KIK. Bedingt durch den Volumenstrom durch den Kessel, hat die Reaktionsmasse eine begrenzte Verweildauer im Reaktionsraum, - und dies „zu allem Überfluss auch noch“ mit einer Verlassens-Wahrscheinlichkeit geprägt, also nicht diskret, sondern in einer „Bandbreite“ = Verweilzeitverteilung. Für Reaktionen positiver Ordnung ist die spezifische Produktleistungen daher auch immer kleiner als in einem IR. Eine „sympathische“ Eigenschaft des KIK ist dagegen, dass die Konzentrationen aller Stoffe im Kessel räumlich und eben aber auch zeitlich konstant sind. Das spielt für reaktionstechnische und kinetische Untersuchungen eine Rolle weil stationär anfallende Messwerte besser oder genauer erfasst werden können.

Durch die Hintereinanderschaltung mehrerer KIK zu einer Kaskade nähert sich ein derartiges System im Verhalten dem IR mit steigender Anzahl der Rührkessel an. Ab zehn Rührkesseln ist im Realfall kein Unterschied mehr messbar.

Ideales Strömungsrohr (IR)

(engl.: Plug-flow-reactor (PFR)) In diesem idealisierten, rohrförmigen Reaktor liegt eine sogenannte →Pfropfenströmung vor. Man kann sich diese Strömung als eine Wanderung einer sehr langen Reihe, sehr dünner Scheibchen der Reaktionsmasse durch das Rohr vorstellen. Diese Scheibchen haben keinen Stoff- oder Wärmeaustausch untereinander. Innerhalb des Scheibchens sind alle Konzentrationen und die Temperatur gleich.

Hier finden die Stoffumwandlungen entlang des Fließweges statt. An einem bestimmten Ort am Rohr liegen zu jedem Zeitpunkt die gleichen Konzentrationen vor. Die Konzentrationen der Stoffe ändern sich hingegen entlang des Rohres. Betrachtet man den Reaktionsverlauf innerhalb eines bestimmten Scheibchens während seiner Wanderung durch das Rohr, so lässt sich dieser genauso betrachten, wie der Reaktionsverlauf in einem diskontinuierlichen, idealen Rührkessel.