Die (idealen) Grundreaktor- Typen

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Das sind .... ? bekannt, oder ?... mehr?

Die Charakteristik der 3 (idealen) Grundreaktortypen

Es gibt zwei Wege (Möglichkeiten) der Charakterisierung der Grundreaktortypen, die aber im Grunde genommen den gleichen Sachverhalt beschreiben:

• dieCharacteristik der Makrovermischung, repräsentiert durch das Verweilzeitspektrum (engl. RTD),( - siehe Antwort zur Frage: 'welche Information liefert uns das Verweilzeitspektrum ?' für nähere Details).
  In diesem Fall sehen Sie 'nur' Informationen bezüglich des Mischverhaltens des Reaktionsgefässes, - wie man sie durch Tracermarkierung erhält. Hierzu meine 'Lieblingsanimation', die das reine 'Mischverhalten' visualisieren soll, wie man es mit dem 'unbewaffneten' Auge bei Farbtracermarkierung sehen könnte. Der rote Farbtracer wird als Sprungfunktion aufgegeben, - die Antwort ist die Summenkurve. (animated gif, ca. 600 k):
  
  nicht vergessen: keine chemische Reaktion!!
  Sie sehen 'oben' die Pfropfströmung im Strömungsrohr (inwieweit ist das real-istisch- ??) und 'unten' die stetig ansteigende Rotfärbung im (idealen) Durchflussrührkessel (KIK). Nach Beendigung der Sprungantwort wird die Simulation fortgesetzt mit einer sprungartigen Abschaltung des Tracersignals. Das Antwortsignal wird 'Antwort nach der Verdrängungsmethode' genannt. Hier sieht man nämlich, wie die Farblösung durch das reine 'Grundfluid' (Lösungsmittel, wie z.B. Wasser) wieder 'verdrängt' wird. Wussten Sie, daß die 'Verdrängungskurve' für den kontinuierlichen idealen Durchflußrührkessel - und nur für diesen Reaktor - die (differentielle) Verweilzeitkurve liefert, also das 'Spektrum' (was übrigens auch rein formalmathematisch hergeleitet werden kann)?
  
  
• der (typische) Konzentrationsverlauf wie man ihn messen kann, wenn man einen Versuch mit einer 'ablaufenden' Reaktion durchführt. (Aber vergessen Sie nicht, daß hier das Mischverhalten 'nur Bestandteil' des Konzentrationsverlaufs ist)

Deshalb: Mehr Info zum 'Verhalten' unter Reaktionsbedingungen erhält man bei vergleichender Betrachtung des zeitlichen Verlaufs der Konzentrationskurven in den 3 Grundreaktortypen, wenn man in ihnen eine einfache Reaktion ausführt: *

• der absatzweise (ideale) Rührkessel (AIK): die Konzentration ist überall im Reaktionsgefäß gleich ('raumstationär' = im Raum vollständig rückvermischt), aber sie nimmt mit der Zeit ab, - entsprechend dem Reaktionsablauf (nicht stationär in der Zeit, was gleichbedeutend ist mit 'zeitlich nicht rückvermischt', - was begrifflich nicht so leicht zu 'verinnerlichen' ist. Dies sieht man auch sehr anschaulich an den verschiedenen konstanten (parallelen) Konzentrationsleveln, die man bei der räumlichen Auftragung erkennt. Der Reaktor AIK ist nicht stationär in Zeit und (zugleich) Raum (nur im Raum)
  
  
• der (kontinuierliche ideale) Rohrreaktor (IR): die Konzentration ist zeitlich an verschiedenen Stellen entlang des Rohres konstant ( Parallelen mit dem Parameter L). Aber der Reaktor ist - wie man sieht - räumlich nicht stationär: die Konzentration fällt entlang der Reaktorlänge ab. Der Reaktor ist räumlich nicht rückvermischt (es existiert ein Konzentrationsgradient entlang der Reaktor-Längsachse). Der Reaktor ist nicht stationär in Raum und (zugleich) in Zeit
  
  
• der kontinuierliche (ideale) Durchflußrührkessel (KIK): die Konzentration ist stationär in Raum und Zeit, d.h. er ist in Raum und Zeit vollständig rückvermischt. Der Reaktor ist stationär in Raum und (zugleich) Zeit. Aber nicht vergessen: das gilt nur, wenn der Reaktor im 'hydrodynamisch stationären Betriebszustand' ist, - dies bedeutet, daß er nicht in der Anlauf-, Abschalt-, oder Störphase ist. Sie sehen also an dieser Stelle gleichzeitig: mit dem Begriff 'stationär' sind einige Stolperschwellen verbunden.

*nochmals zur Wiederholung: die vorhergehenden Ausführungen gelten für Reaktoren, in denen eine Reaktion abläuft, - nicht zu verwechseln mit dem Makromischverhalten, wie es durch das Verweilzeitverhalten charakterisiert wird, das bei 'Aufgabe' eines inerten Tracersignals erhalten wird. Aber - wie bereits erwähnt - ist die ganze beobachtete Verhaltensweise eine direkte Konsequenz der Makrovermischung. Worin liegt nun eigentlich der Unterschied ? Hier eine einfache Erklärung: Bei einem Verweilzeitexperiment wird der inerte Tracer verdünnt durch den konvektiven Strom und verschwindet 'nach Maßgabe' dieser Verdünnung. Eine 'ablaufende' chemische Reaktion bewirkt 'zusammen' mit dem Konvektionsstrom, daß Edukte verschwinden, Produkte entstehen und eventuell ebenfalls veschwinden, daß Konzentrationen sich ändern und damit die Reaktionskinetik beeinflussen. Man sieht den Unterschied zwischen 'nur Verweilzeit' und 'mit ablaufender Reaktion' sehr anschaulich, wenn man die Serienschaltung eines IRs mit einem KIK betrachtet: für das Verweilzeitspektrum spielt es keine Rolle, welcher Reaktortyp bei dieser Serienschaltung der erste ist, - wohingegen bei 'ablaufender Reaktion' dieser Umstand entscheidend wird (siehe allgemeine Bemerkungen zu Reaktorschaltungen und besonders zwei Abbildungen die die zwei 'Reihenfolgen-Alternativen' bei Serienschaltungen IR/KIK für eine einfache Reaktion 1. Ordnung zeigen). Übrigens: denken Sie mal über die Frage nach, ob ein Verweilzeitspektrum für einen AIK einen praktischen Sinn macht ? zunächst: man kann bei einem AIK keine Sprungfunktion aufgeben ! (klar, warum ?) Aber man könnte vielleicht einen Dirac-Puls in einen AIK einbringen. Was würde man beobachten ? Man würde eine Information über die Qualität der Makrovermischung im Rührkessel erhalten. Obwohl diese Info sehr interessant ist, stellt sie kein Verweilzeitspektrum im üblichen Sinne dar. Und ein wichtiger Rat: nehmen Sie nie das Wort 'Reaktion' in den Mund, wenn Sie über 'Verweilzeit' sprechen , - außer Sie sind ein absoluter Spezialist und sprechen z.B. über 'reaktive Verweilzeitmarkierung' ! Denn die normale Verweilzeitcharakteristik beschreibt kein reaktives Verhalten ! wichtig ist aber: beide Aspekte (Verweilzeit und reaktives System) sind ohne Einschränkungen formelmässig zu beschreiben durch die Stoffstrombilanz des Reaktors. Bei der Verweilzeitbetrachtung wird einfach nur der Reaktionsterm in der allgemeinen Stoffstrombilanz weggelassen, - und man erhält dann auch bei bei deren Lösung die Funktion des zu beobachtenden Verweilzeitspektrums. Zur Veranschaulichung möchte ich Ihnen einen 'virtuellen Schnappschuß' von einer 'offenen' Parallelschaltung eines IRs und eines KIKs zeigen. Das kontinuierliche Reaktorsystem sei stationär und es laufe in ihm eine Reaktion ab, bei der ein roter Farbstoff sich zu einem farblosen Produkt zersetze. Die Reaktion werde genau defniert an den Reaktor-Eintrittsstellen gestartet (thermisch, oder durch Licht o.ä.). Im KIK erhalten Sie eine Restfärbung, die dem erreichten Umsatz entspricht, wogegen im IR ein Farbgradient entlang der Rohrachse erhalten wird, der im vorliegenden Fall mit der weißen Farbe 'farblos' am Auslauf endet (was einem vollständigen Umsatz entspräche). Ich habe versucht, eine schwarze Linie im Rohr einzuzeichnen, an deren Stelle die Farbe die gleiche ist wie im KIK. Hiermit möchte ich demonstrieren, daß ein und derselbe Umsatz im IR mit einem deutlich kleineren Reaktorvolumen erreicht werden kann. Beachten Sie: Es findet Reaktion statt !!! Der Farbgradient entlang des Rohres ist etwas dicht geraten, aber ich denke, Sie realisieren den Effekt. Interessant ist auch, daß wir hier keine Animation benötigen, denn es herrscht ja ein stationärer Betriebszustand. In einer anderen Animation sehen Sie in Endlosschleife die Farb-Abnahme in einem absatzweisen Rührkessel (AIK). Hier ist sozusagen die x-Achse für den Konzentrationsgradienten die Zeitachse. (vergleiche mit: Abbildung oben für die kontinuierlichen Reaktoren): Beachten Sie: es findet Reaktion statt! hier benötigt man eine Animation für eine ordentliche Visualisierung, weil ein zeitlicher Ablauf gezeigt werden soll. back to top

Soforttest zu Ihrem Kenntnisstand:
Können Sie die folgenden Aussagen erläutern?

ein KIK arbeitet stationär in Raum und Zeit, er ist 'vollständig' rückvermischt

Ein AIK ist nur räumlich stationär , nicht aber zeitlich, er ist nur räumlich rückvermischt, nicht aber zeitlich.

Ein IR arbeitet zeitlich stationär, aber nicht räumlich (weil ein Gradient entlang der Längsachse existiert), es ist räumlich nicht rückvermischt

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Wichtige Ergänzung zur Klassifikation der Grundreaktortypen

Hauptsächlich im Kontext mit Reaktoren für Heterogene Systeme - aber auch im Allgemeinen - können wir noch folgende 'Einteilung' treffen:

• *Integralreaktoren:
  
  Integralreaktoren sind Reaktoren, in denen ein hoher Umsatz 'gefahren wird'. Sie sind meistens gute 'Produktionsreaktoren' mit großer Spezifischer Produktleistung. Typische Integralreaktoren sind beispielsweise Festbettreaktoren mit hoher Schüttung (Integrale Rohrreaktoren). Für kinetische Messungen ist dieser Reaktortyp problematisch, weil er einen Konzentrationsgradienten entlang der Schütthöhe aufweist und die Lösung der Stoffstrombilanz eine Integration erfordert. Hierzu muß die Reaktionskinetik bekannt sein, - diese wollen wir aber gerade ermitteln, wenn wir kinetische Messungen durchführen !!
  
  
• *Differentialreaktoren:
  
  Differentialreaktoren werden mit einem sehr kleinen - sozusagen differentiellen - Umsatz betrieben. Sie eignen sich meist gut für kinetische Messungen, weil bei 'infinitesimal kleinem' Umsatz, der Umsatz direkt ein Maß für die Reaktionsgeschwindigkeit ist. Der einzige Nachteil dieser Reaktoren ist, daß häufig analytische Probleme auftreten, weil eine sehr geringe Differenz zwischen Eintritts- und Austrittskonzentrationen vorliegt. Typische Differentialrektoren sind Festbettreaktoren mit geringen Schütthöhen. Um das Problem der geringen Konzentrationsdifferenzen zu umgehen, können Differential-Kreislaufreaktoren mit hohen Kreislauffaktoren eingesetzt werden. Hier bekommen wir sozusagen eine 'Verstärkung' aufgrund des multiplen Durchgangs durch das differentielle Schüttbett und als weiterer Vorteil ergibt sich, daß wir die Stoffstrombilanz eines KIKs für diese Reaktoren erhalten. (könnten Sie das formal herleiten ? Hilfe bei Lit. 'Hagen' im online-Kurs)
  

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Schließlich noch eine etwas komplexe Frage: welche Verwandtschaft besteht zwischen AIK und IR, wodurch unterscheiden sie sich vom KIK, - und was ist der Unterschied der beiden untereinander ? Hilfe ?

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