Prof. Dr. K.-H. Bellgardt, Institut für Technische Chemie V12-1. Technische Reaktionsführung: Nicht-isotherme Reaktore

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1 Prof. Dr. K.-H. Bellgardt, Institut für echnische Chemie 5.6. echnische eaktionsführung: Nicht-isotherme eaktoren msatzverhalten von chemischen eaktoren im technischen Maßstab bei adiabatischer oder polytroper eaktionsführung Bisher: Grundtypen von eaktoren: Idealer Satzrührkessel, Idealer Durchflussrührkessel, Ideales Strömungsrohr Stofftransport und eaktion im Katalysatorkorn eale eaktoren: Strömungsrohr, adiabatische Festbettreaktor Weitere hemen: eale eaktoren: polytroper Festbettreaktor eaktionsführung bei reversibler exothermer eaktion Autotherme eaktionsführung egelung chemischer eaktoren Quasi-homogenes Modell des Festbettreaktors Bilanzgleichungen: Stoff: c S t = v eff 2 c D i z ax z 2 S r g V Strömung Leitung eaktion Wärme: S c P t = c P v z Nicht-isotherm: vereinfachende Annahme η= Anfangsbedingungen z,t== S z Wilhelmsche andbedingungen Links: z= eff 2 g ax ak W K z 2 S Hr V z,t== S z vc eff c =v z=,t D z,t ax z z= v =v z=,t eff ax z,t c P z z= echts: z=l Gasraum Schüttung Schüttporosität: S = V G V z,t z z=l = z,t z z=l = dukte V2- Produkt V2-4 Besonderheiten beim nicht-isothermen Festbettreaktor msatzfunktion nicht analytisch berechenbar, numerische Lösung Stoff- und Wärmetransport sind unabhängig voneinander (Bo Pe ) Adiabatische eaktionsführung Die Adiabatenbilanz gilt nicht lokal Kurze eaktoren: Mehrfache stationäre Zustände Lange eaktoren: Hohe Parametersensitivität, wandernde Brennzonen Lange eaktoren, flaches Konzentrationsprofil: Ideales Strömungsrohr in Bezug auf Stofftransport, eindeutiger stationärer Zustand! Hohe ndtemperaturen Kühlung notwendig Polytroper Festbettreaktor: Hot Spots und unaway Partiellen Oxidation Katalysator: V 2 O 5 o-xylol Partialdruck o-xylol 92 Pa Pa Parameter: Partialdruck von o-xylol im duktzustrom Phthalsäureanhydrid Vermeidung des unaway: A m m m emperatur unaway Hot Spot V2-3 Kriterium von Fromment et al. Zulässige Maximaltemperatur m V2-5 echnische eaktionsführung: Nicht-isotherme eaktore V2-

2 Prof. Dr. K.-H. Bellgardt, Institut für echnische Chemie Besonderheiten beim polytropen Festbettreaktor Vorteile: Verringerung der Maximaltemperatur im eaktor Höhere duktkonzentration im Zulauf bei gleicher Maximaltemperatur Größere aum-zeit-ausbeute des Produktes Probleme: Hohe Parametersensitivität, Hot Spots, unaway Geringe Wärmeleitfähigkeit der Schüttung (kleine Kontaktflächen, radiale emperaturprofile) Simulierte Karte des Wärmeflusses durch die eaktorwand Abhilfe: ohrbündelreaktor, Hordenreaktor oder Wirbelschichtreaktor Beispiele für ohrbündelreaktoren V2-6 Ziele: ffiziente Kühlung von Festbettreaktoren Bessere Kühlung bei stark exothermen eaktionen Vermeidung von Hot Spots Probleme: Geringe Wärmeleitfähigkeit der Schüttung adiale emperaturprofile Lösung: ohrbündelreaktoren Zahl der ohre: > ohrdurchmesser: wenige cm eaktordurchmesser: einige m eaktorlänge: einige m dukte Kühlmedium Schüttung ffiziente Kühlung von Festbettreaktoren Hordenreaktor dukte V2-7 echnische eaktionsführung: Nicht-isotherme eaktore Zwischenkühlung Foto: FCI Alternativ: xterner Kühlmedium 5.6. Kritische Punkte: ngleichmäßiger Druckverlust in den ohren resultiert in ungleicher Verweilzeit Die Befüllung der ohre mit Katalysatorträgern muss sehr sorgfältig vorgenommen werden! V2-8 Schüttung Schwefelsäure-Herstellung V2-9 V2-2

3 Prof. Dr. K.-H. Bellgardt, Institut für echnische Chemie 5.6. Betriebsbereich des Wirbelschichtreaktors Lockerungspunkt: Durch Druckdifferenz ausgeübte Kraft Druckabfall über der Schicht p A = V g S F Festbett ε Gewichtskraft der Schicht minus Auftrieb insetzen: Abschätzung von v L ε steigt Lockerungspunkt v L Wirbelschicht p max Schichtexpansion Leerrohrgeschwindigkeit v infache Korrelation: rgun-gleichung (überschätzt p) p= 5 L e P,75 d P 3 F v 2 Partikelbezogene eynoldszahl Beginn des Austrags e P = d P F v u sink u > u sink Vollständiger Austrag u Gas Fest V2-4 Wärmeübergang beim Wirbelschichtreaktor Sehr guter Wärmeübergang Wirbelschicht Wand im Vergleich zum Festbettreaktor Geringe axiale und radiale emperaturdifferenzen auf Grund der guten Durchmischung Gut für stark exotherme eaktionen und isothermen Betrieb geeignet inphasige Gasströmung 5 [ W m 2 K ] Festbett Lockerungspunkt Wirbelschicht α max Feststoffaustrag 5.5. v Abgeführter Wärmestrom: Q= A K W S V2-5 echnische eaktionsführung: Nicht-isotherme eaktore V2-3

4 Prof. Dr. K.-H. Bellgardt, Institut für echnische Chemie 5.6. eaktionsführung bei einer exothermen, reversiblen eaktion: maximaler msatz Irreversible eaktion, z.b.: 2 Maximaler msatz max = eversible eaktion Maximaler msatz bestimmt durch thermodynamisches Gleichgewicht infaches Beispiel: 2 k H hermodynamisches Gleichgewicht, r V =: gl k + k = c =K gl C mit K =k +e C gl = gl K C gl = gl K C c gl = K C c c =c 2 c X 2 k e Idealer, adiabatischer Durchflussrührkessel A+ A- V H =K e Stöchiometrie max = c gl = K C eaktionsführung bei einer exothermen, reversiblen eaktion: msatzfunktion eversible eaktion 2 k H= A+ A- K = k S + k =e max = K C K C Bilanzen im stationären Zustand = c V c r V = V Idealer, adiabatischer =c P Durchflussrührkessel V Hr V Stöchiometrie der eaktion: c c =c 2 c X 2, in eaktionsgeschwindigkeit einsetzen k insetzen in Stoffbilanz = c c k + c k c c k =k + k c = k k + k c H und umformen... V V2-6 = c k = k + k k = + k + K C k +, K C = k + k!! V2-8 eaktionsführung bei einer exothermen, reversiblen eaktion: Maximale emperatur eversible eaktion 2 k H Bilanzen im stationären Zustand Stoff: = c V c r V Wärme: =c P V Hr V Adiabatenbilanz = H c P insetzen =c P V H c V c Idealer, adiabatischer Durchflussrührkessel c c = ad wegen < c max gilt also... Maximale emperaturänderung bei reversibler eaktion max = max = ad max ad V Kürzen und umstellen eaktionsführung bei einer exothermen, reversiblen eaktion: optimaler msatz Gegenläufige ffekte bei emperaturanstieg: eaktionsgeschwindigkeit steigt Gleichgewicht wird ungünstiger Schlussfolgerungen: Die msatzfunktion durchläuft ein Maximum opt s gibt eine optimale ndtemperatur opt s gibt eine optimale Zulauftemperatur,opt Adiabatenbilanz = ad Optimale Zulauftemperatur,opt = opt ad opt ( ) max = K C K C k = + k + K C opt eaktion nähert sich dem Gleichgewicht max opt ad V2-7 + ad V2-9 echnische eaktionsführung: Nicht-isotherme eaktore V2-4

5 Prof. Dr. K.-H. Bellgardt, Institut für echnische Chemie Quasi-isotherme eaktionsführung bei exothermer, heterogen katalysierter, reversibler eaktion Ziel: Lösung: Kühlung eaktionsführung möglichst dicht an opt Hordenreaktor mit Zwischenkühlung opt dukte opt 4 ( ) Anwendung: Synthese von NH 3 und H 2 SO 4 xterner dukte 2 max opt 4 2 ealisierungsmöglichkeiten dukte Prinzipdarstellung Gewält: = opt Steigung: Interner dukte ad V2-2 Problem: Vorheizen der dukte bei nicht-isothermer eaktionsführung Damit die eaktion schon am eaktoranfang mit ausreichender Geschwindigkeit ablauft, ist oft ein Vorheizen der dukte nötig Lösungsmöglichkeiten: Aufheizen des duktstromes mit externer Wärmequelle Nutzung der eaktionswärme bei exothermer eaktion Übertragung der Wärme des Produktstromes auf den duktstrom mittels Steigerung der nergieeffizienz des Prozesses Keine weitere äußere nergiequelle! Gleich- oder Gegenstromwärmetauscher? Adiabatischer eaktor Adiabatischer eaktor V2-2 echnische eaktionsführung: Nicht-isotherme eaktore Gegenstrom 5.6. Festbettreaktor Hordenreaktor ohrbündelreaktor V2-22 Konstanter Wärmeübergang über die Länge des s Gleichstrom Maximaler Wärmeübergang ist beschränkt darf einen Minimalwert nicht unterschreiten, da L 2 Problem: ist keine feste Größe mehr für die eaktorberechnung! V2-23 V2-5

6 Prof. Dr. K.-H. Bellgardt, Institut für echnische Chemie 5.6. xterner Gegenstromwärmetauscher Wärmebilanz des s Annahmen: Stationärer Zustand ρc P = konstant c P =A K k W Vom Frischgas aufgenommen Wärmestrom durch die Austauschfläche Adiabatenbilanz für den eaktor = ad oben einsetzen Designgleichung des s = A K k W c P ad Linearer Zusammenhang zwischen emperaturänderung und msatz ückgekoppeltes System: Komplexe Dynamik von eaktor plus Bilanzen des s und des eaktors müssen zusammen gelöst werden eaktor (vereinfacht als PF): = vc P d Hr V ak W = v d r V : d = y vc P d z = d andbedingungen: = Adiabatischer eaktor Lineares emperaturprofil Konstante emperaturdifferenz Interner Gegenstromwärmetauscher ak W = y y = L= dukte y y Komplexe emperaturprofile Ortsabhängige emperaturdifferenz xakte Lösung nur numerisch möglich! Hier: qualitative Diskussion für y=... z = z z =L V2-24 Profile für y= V2-26 Besonderheiten: xterner Gegenstromwärmetauscher Mehrfache stationäre Zustände Besondere Maßnahmen zum Anfahren des eaktors Kurzzeitige rhöhung der Verweilzeit Vorübergehende Zuschaltung einer externen Wärmequelle Begrenzter duktdurchsatz: Löschen der eaktion bei kleiner WAK bzw. Verweilzeit Genaue egelung von erforderlich, z.b. durch Zumischen von kaltem Frischgas Stabiler Betrieb und genügender Abstand zum instabilen Punkt nur bei hinreichend großer Verweilzeit oder großer WAK Faustformel: WAK -Designgleichung = A K k W c P ad WAK Wärmeaustauschkapazität Beispiel: irreversible eaktion WAK ad Stabil Instabil eaktor : Interner Gegenstromwärmetauscher mit y= : = vc P d Hr V ak W = v d r V =vc P d ak W andbedingungen: = L= = d ingesetzt und addiert = vc P H v d vc d P d c P = H d c P d = H d = H c P d vc P =ak H W c P Addieren : v τ V2-25 insetzen = und umsortieren und integrieren von bis z : c P und ausrechnen ak W und einsetzen und weiter geht s... V2-27 echnische eaktionsführung: Nicht-isotherme eaktore V2-6

7 Prof. Dr. K.-H. Bellgardt, Institut für echnische Chemie Interner Gegenstromwärmetauscher mit y= andbedingungen: = L= = Querschnittsfläche der Schüttung: A S d vc P =ak H W c c c P ad z vc P d = ak W ad z mit erweitern = L rsetzen: v= a= A S und integrieren von bis z A K V = A K A S L c und ausrechnen A S P d = A k V K W ad A S L z A S c P = A K k W ad : c P = A K k W ad c P WAK Linearer Zusammenhang zwischen Designgleichung des s emperaturänderung und gemittelter msatzfunktion V2-28 Besonderheiten: Interner Gegenstromwärmetauscher Mehrfache stationäre Zustände Besondere Maßnahmen zum Anfahren des eaktors Löschen der eaktion bei kleiner WAK (hier WAK<.6, Grenzfall ) Besonderheiten bei reversibler eaktion: Störungsunempfindlicher Betrieb in der Nähe des Maximums (Fall 2) Bei zu großer WAK sinkt der msatz (Verschiebung des Gleichgewichtes auf Grund hoher emperatur, Fall 3) Nachführung von erforderlich, z.b. durch Zumischen von kaltem Frischgas (y<) mittels einer emperaturregelung 3 2 -Designgleichung ad bzw. WAK WAK,6 2 2, 3 4, Stabil Instabil Metastabil =WAK ad Beispiel: reversible eaktion (NH 3 -Synthese!) V2-29 echnische eaktionsführung: Nicht-isotherme eaktore V