Einfluß des Wärme- und Stoffübergangs auf den Umsatz in chemischen Reaktoren

Die chemische Industrie schenkte dem durchströmten Rohrreaktor in den letzten Jahrzehnten besondere Aufmerksamkeit. Dies gilt sowohl für Anwendungen zum Zwecke der Synthese chemischer Produkte als auch für Anwendungen zum Zersetzen umweltschädigender Substanzen in den Abgasen von Automobilen und konventionell betriebenen Kraftwerken. Der Rohrreaktor unterscheidet sich von anderen Reaktorformen durch seine einfache Geometrie. Die in ihm ablaufenden Transportvorgänge sind theoretischen Beschreibungen zugänglich. Die stoffliche Umwandlung findet in Rohrreaktoren entweder homogen im Strömungsfeld verteilt oder an der Grenzfläche zweier Phasen statt. Im letzteren Fall spricht man von einer heterogenen Reaktion. Von technischer Bedeutung sind besonders die Reaktionen, die an einer gasförmig-festen Phasengrenzfläche, d.h. der Rohrwand, ablaufen. Wirkt die feste Phase lediglich als Reaktionsmittler, so wird der Umwandlungsprozeß als heterogene katalytische Reaktion bezeichnet. Die chemische Reaktion wird stets von einem Energieumsatz begleitet, so daß der Stoffumsatz nur in Sonderfällen unter isothermen Bedingungen stattfindet. Darüber hinaus führt der Stoffumsatz meist zu einer Molzahlvermehrung oder -verminderung. Die Nichtäquimolarität und die Temperaturänderung beeinflussen das Strömungsfeld im Reaktor. Dieses beeinflußt seinerseits den Stoff- und Wärmeaustausch. In der Vergangenheit sind bereits zahlreiche Versuche unternommen worden, den Stoffumsatz im Rohrreaktor zu berechnen. Es wurden allerdings stets einschränkende Annahmen getroffen. In den meisten Untersuchungen wurden isotherme Betriebsbedingungen und äquimolare nicht umkehrbare Reaktionen vorausgesetzt. Im Rahmen der durchgeführten theoretischen Untersuchungen wird auf diese Einschränkungen verzichtet. Es wird dargestellt welchen Einfluß - eine nichtäquimolare heterogene Reaktion - das chemische Gleichgewicht - der fluiddynamische Einlauf - eine Beheizung oder Kühlung - temperaturabhängige Transportkoeffizienten - Zünderscheinungen exothermer Reaktionen auf den Stoffumsatz in laminar mit Gasen durchströmten Reaktoren haben