Chemischer Prozess - Chemical Process. Products. Raw materials. Separation process. Separation process. Chemical Reactor.

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1 Chemischer Prozess - Chemical Process Raw materials Products Separation process Separation process 1 Chemical Reactor By-products

2 Chemische Verfahrenstechnik - Chemische Reaktoren Kopplung von Wärme- und Stofftransport mit chemischen Reaktionen Chemische Prozesse machen aus preiswerten Rohstoffen wertvolle chemische Verbindungen. Produkt Nebenprodukte Trennprozess 2 Trennprozess Rohstoffe Chemischer Prozess Der Reaktor ist das Herz jedes chemischen Prozesses!

3 Der Reaktor ist das Herz einer chemischen Produktionsanlage Separation units are the largest and most expensive in the chemical process. However, chemical reactor performance determines separation needs Example 1: synthesis gas (CO + H 2 ) made by steam reforming and partial oxidation of methane 3 H 2 O + 1/2 O CH 4 --> 2 CO + 5 H 2 N 2 cannot be left in synthesis gas products. Oxygen separation plant becomes the largest capital investment. New reactor designs (ceramic membranes) allow the use of air, lowering costs (SYNTROLEUM)

4 Der Reaktor ist das Herz einer chemischen Produktionsanlage Example 2: n-hexane aromatization (CHEVRON) n-c 6 H 12 --> C 6 H H 2 catalysts are extremely sensitive to sulfur. [S] < 10 ppb are required. Sulfur plant are large and expensive. Research to find sulfur-tolerant catalysts. 4 Example 3: Three-way automotive catalytic converters to abate CO, NO, and unburned hydrocarbons from exhausts. Very sensitive to lead poisoning, then lead-compounds not longer allowed in gasoline.

5 Challenges and Tasks in Chemical Reaction Engineering Search for alternative processes: more economical (independently or integrated) environmentally friendlier e.g., elimination of chlorinated compounds in chemical processes Search for ways to use different feedstocks example: renewable energy sources, e.g., H 2 from water 5 Design of new processes Operation of existing process Solution of operating problems Increase in capacity or selectivity

6 Different disciplines incorporated in the study of chemical reactors and chemical processes thermo fluids math design economics kinetics reactors process $ Heat-Mass transfer materials control 6

7 Kinetics and Thermodynamics Kinetics >> chemical changes, and energies and masses associated with them. Reaction rate expressions. Thermodynamics >> equilibrium systems, no net change with time 7 Thermodynamic concepts needed in this course: equilibrium constants, and equilibrium compositions enthalpy changes accompanying reactions

8 Chemical Engineering - Scale-up Probleme - Ravioli für 400 Personen I Rezept für 4 Personen Scale-up Probleme Koche 5 L Wasser 1 Topf á 500 L oder 100 Töpfe á 5 L? Füge 10 g Salz hinzu Gebe 800 g Ravioli in das kochende Wasser Was heißt kochen? 80 kg Ravioli, Füllzeit, Sicherheitsprobleme? Die Ravioli sind fertig, Was passiert, wenn t füll > t koch? wenn diese aufschwimmen (ca. 3 min) Gibt es eine Verweilzeitverteilung? Wann ist der Vorgang beendet? Ravioli abgießen Soße vorsichtig unterrühren Sofort heiß servieren Eine gekochte Ravioli ist empfindlich! Wie soll man filtrieren und mischen? Wie kann man 80 kg heiß halten, Wie lang darf diese Zeit sein? 8 Nach: Micel Auroy und Joseph Lieto, ECCE-2, Montpellier 1999

9 Chemical Engineering - Scale-up Probleme - Ravioli für 400 Personen II Weitere verfahrenstechnische Fragen Wieviel Wasser benötigt man mindestens pro kg Ravioli? Warum kann man die Ravioli nicht in das kalte Wasser geben und dann die Mischung bis zum Sieden erhitzen? Was geschieht mit dem verdampfenden Wasser? Kann man den Energiebedarf reduzieren? Wieso muß man einen Batchprozeß betreiben? Ist ein kontinuierlicher Prozeß eventuell wirtschaftlicher? 9 Kann man einen Apparat bauen der kontinuierlich auf einer Seite mit Ravioli beschickt wird und auf der anderen Seite die fertigen Ravioli ausspuckt? Wie groß ist die Reaktionsgeschwindigkeit, hängt diese von Größe, Form oder Füllung ab? Wer mag eigentlich Ravioli?

10 Chemical Engineering - Scale-up Probleme - Ravioli für 400 Personen III Verfahrenstechnische Interpretationen Der Koch zahlt für die Energie (Gas oder Strom). Die Energie erwärmt den Topfboden und die Seitenwände des Topfs. Das Metall überträgt diese Energie auf das Wasser. Das unmittelbar mit dem Metall in Kontakt stehende Wasser ändert seine Dichte und steigt in kältere Wasserschichten auf. Freie konvektive Ströme vergleichmäßigen die Temperatur des Wassers. 10 Wenn die Siedetemperatur erreicht sein wird, beginnt ein Phasenübergang flüssig / gasförmig in der flüssigen Phase. Die Gasblasen steigen auf und übertragen einen Teil ihres Impulses auf das Wasser (flüssig) und die Ravioli (fest). Das heiße Wasser überträgt Energie über die Phasengrenze, ein Teil des Wassers wird in die Gasphase gelangen.

11 Chemische Verfahrenstechnik - Chemical Reaction Engineering - CRE Chemische Reaktoren sind nicht einfach nur aufgeblasene Laborgefäße. Warum eigentlich nicht? Wenn gilt: A + B Produkte, dann gilt das doch unabhängig von der Menge und der Reaktorgröße, oder? 11 Eben nicht - und deshalb gibt es die Chemische Verfahrenstechnik!

12 Maßstabsvergrößerung - Scale-up Aber warum kann man nicht so einfach den Maßstab vergrößern? Nun, damit es zu einer chemischen Reaktion kommen kann, müssen sich die Reaktionspartner erst einmal treffen Aber wenn der Reaktor 40 m³ groß ist, was dann? Im kleinen Laborgefäß ist das einfach - z.b. intensiv rühren. oder - wenn eine Phasengrenze überwunden werden muss? oder - wenn der Katalysator erst am Ende eines engen Labyrinths sitzt? oder - wenn große Wärmemengen freigesetzt werden? oder - wenn die Viskosität während der Synthese stark zunimmt? oder - wenn sich die Reaktanden verhalten wie Katz und Hund und sich nicht mischen lassen wollen?

13 Maßstabsvergrößerung - Scale-up Phasengrenze 13 Labyrinth

14 Maßstabsvergrößerung - Scale-up Chemische Reaktionen laufe also nie (oder nur sehr, sehr selten) allein ab. Sie werden (fast) immer von Wärme- und Stofftransportprozessen begleitet. Das macht die Sache kompliziert - und interessant! Und deshalb gibt es keine technischen Reaktoren, die aussehen wie riesige Rund- oder Erlenmeyerkolben. Sondern es gibt viele verschiedene Bauformen: Schlanke und dicke Rührbehälter, Kaskaden aus 3, 4 und mehr Reaktoren, leere Rohre, Rohre mit Einbauten, sich drehende Rohre, Rohrbündel, und, und, und... 14

15 Maßstabsvergrößerung und Modellierung - Scale-up and Modelling Manchmal muss der Reaktionstechniker seine Perspektive ändern, sich gedanklich in der Reaktor hineinzoomen und versuchen, sich dem Reaktionssystem bis auf die molekularer Ebene hinunter zu nähern. Das Ziel ist dann, soviel über das Reaktionssystem zu erfahren, dass man es wagen kann, etwas Wesentliches zu ändern: Wie z.b. die Zusammensetzung der Reaktanden, die Durchflussmenge, die Reaktorgeometrie, die Temperatur oder den Druck. 15 Dieses Detailwissen führt meist zu einem mathematischphysikalischen Modell des Reaktors. Die Modellbildung kann helfen, Entwicklungszeiten und -kosten zu senken und ermöglicht die Maßstabsvergrößerung in größeren Schritten.

16 Maßstabsvergrößerung und Modellierung - Scale-up and Modelling 16

17 Maßstabsvergrößerung und Modellierung - Scale-up and Modelling Ein Beispiel PET (Polyethylenterephthalat) ist ein polymerer Werkstoff. Man verwendet PET u.a. zur Herstellung von Getränkeflaschen. PET wird im Zuge von zwei Reaktionsschritten in der Flüssig- bzw. Schmelzphase hergestellt. 17 Im zweiten Reaktionsschritt (Polykondensation) wächst die Polymerkette, wobei jeweils eine niedermolekulares Polykondensationsprodukt (1,2-Ethandiol) abgespalten wird. Da die Polykondensation eine Gleichgewichtsreaktion ist, muss das 1,2-Ethandiol so zügig wie möglich aus der Schmelze entfernt werden - anderenfalls würden die hochmolekularen Polymerketten wieder gespalten.

18 Maßstabsvergrößerung und Modellierung - Scale-up and Modelling Die Polykondensation wird großtechnisch in sogen. Finishern durchgeführt. Diese Spezialreaktoren erzeugen trotz der hohen Zähigkeit der Polymerschmelze eine große Oberfläche. Bei großer Oberfläche muss das 1,2-Ethandiol nur kurze Wege in der Schmelze zurücklegen und kann so schnell aus dem Reaktionsgleichgewicht entfernt werden. 18

19 Chemische Synthesen - Phasen und Phasenübergänge Gas Liquid Solid Gas G / G G / L G / S Phases Catalyst n or y n or y (L) n or y Liquid L / G L / L L / S Phases 2 1 or 2 2 Catalyst n or y (L) n or y n or y Solid S / G S / L S / S Phases or 2 Catalyst n or y n or y n or y G / L / S Phases 3 Catalyst n or y 19

20 Wichtige Fragen zu Auslegung und Betrieb von chemischen Reaktoren I 1 number and kind of single parallel in series chemical reaction(s) 2 hazard by chemical feed intermediate product compounds 3 chemical equilibrium reversible feed, left hand side product, right hand side 4 state of aggregation feed product reaction 5 reaction phases gas liquid solid 6 number of phases single phase two phases three phases 7 heat of reaction endothermic exothermic small 20 8 reaction temperature chilled cold warm 9 reaction pressure vacuum atmospheric high 10 catalytic reaction non catalytic heterogeneous catalysis homogeneous catalysis 11 capacity small big 12 commodity product one recipe different recipes 13 process batch semibatch continuous

21 Wichtige Fragen zu Auslegung und Betrieb von chemischen Reaktoren II process batch semibatch continuous 14 mass transfer resistance homogeneous reaction heterogeneous reaction rate determining step 15 mixing stirrer static mixer forced convection cavitation 16 heat transfer regime isothermal adiabatic temperature guided 17 heat transfer measures jacket, coils external heat quenching, shear exchanger evaporation 18 material science ph value temperature pressure corrosion 19 control strategy: T reaction htm temperature temperature 20 control strategy: p equilibrium inert gas pressure 21 control strategy: residence time flow level 22 hazards temperature pressure release speed 23 design data residence time overall macro detailed micro kinetics kinetics kinetics of mass transfer