Reaktoren können unterschiedlich ausgestaltet sein, z.B. als Rührkessel (1. Bild) oder als Rührkesselkaskade (2. Bild). 

Zur Auswahl geeigneter Berechnungsmodelle muss das Zeitverhalten solcher Reaktoren, z.B. über eine Stossmarkierung ermittelt werden. 

Bestimmung der Kinetik von Rührkessel-Reaktionen

Das Diagramm (1.Bild) zeigt den Vergleich zwischen gemessenen und gerechneten Werten bei der Labor-Kaskade mit einer nahezu 100%-igen Übereinstimmung.

Bei der Gültigkeit des Berechnungsmodells lässt sich aus der Messung des Umsatzgrades einer chemischen Reaktion bei verschiedenen Versuchseinstellungen die Kinetik der Reaktion bestimmen (2.Bild).

Bestimmung der Kinetik in Rohrreaktoren

Ein anderer Reaktortyp ist der Rohrreaktor. Im Versuchsaufbau wird ein solcher Reaktor durch einen aufgewickelten Schlauch realisiert. Der erreichbare Umsatzgrad bei einer chemischen Reaktion wird u.a. auch durch das Vermischungsverhalten des Rohrreaktors beeinflusst, welches z.B. über eine Stossmarkierung ermittelt werden kann. Eine entsprechende Auswertung zeigt die Abbildung darunter.

Bestimmung der Kinetik in Satzreaktoren

In einem Satzreaktor werden nicht nur chemische Produkte erzeugt. Im Labor eignet sich ein solcher Apparat vorzüglich dazu, chemische Reaktionen bei ihrem zeitlichen Verlauf zu beobachten. Die Messdaten dienen dazu, ein mathematisches Modell zur Beschreibung der Reaktionsgeschwindigkeit (Kinetik) zu erstellen. Das Bild rechts zeigt die Laborapparatur, darunter sieht man Auswertung und Ergebnis eines solchen Experimentes.

Kohlenmonoxid-Konvertierung

Chemische Reaktionen können Wärme freisetzen (exotherme Reaktionen) oder Wärme benötigen (endotherme Reaktionen). Werden exotherme Reaktionen bei zunehmend hohen Temperaturen durchgeführt, so verschiebt sich das chemische Gleichgewicht in Richtung der Ausgangsstoffe, was den erzielbaren Umsatzgrad vermindert. Bei der technisch wichtigen Reaktion "Kohlenmonoxid-Konvertierung" kann man dieses Verhalten im Experiment beobachten und mit Rechenmodellen vergleichen. Im ersten Bild ist die dazugehörige Reaktoranlage zu sehen, im zweiten Bild die Auswertung.

Zimtsäure-Hydrierung

Anhand der Zimtsäure-Hydrierung in der Flüssigphase an einem Palladium-Aktivkohle-Katalysator lässt sich das Wechselspiel zwischen Stofftransport über zwei Phasengrenzen hinweg und chemischer Reaktion studieren. Mit Hilfe der Versuchsergebnisse sollen Parameter eines geeigneten makrokinetischen Modells ermittelt werden.

Methanol-Spaltung

Die Methanol-Spaltung zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid wird in der Gasphase an einem Katalysator durchgeführt. Die zeitliche Druckzunahme während der Reaktion bei verschiedenen Temperaturen gibt Auskunft darüber, inwieweit der Stofftransport innerhalb des Katalysators die Reaktion behindert.

Katalytische Abgasreinigung

Die katalytische Abgasreinigung gehört zu den wichtigsten chemischen Prozessen in der Umwelttechnik. An der gezeigten Anlage lassen sich sowohl geeignete Katalysatoren testen, als auch der katalytische Reinigungsprozess bezüglich der Betriebsparameter studieren und optimieren.

Gradientenloser Kreislaufreaktor

Ein Idealkessel eignet sich hervorragend zur Bestimmung kinetischer Daten chemischer Reaktionen, da das Umsatzverhalten mit einem einfachen Modell beschreibbar ist. Dies ist der Grund dafür, dass ein solcher Reaktor auch zum Testen katalytischer Gasphasenreaktionen eingesetzt wird. Hier heißt dieser Idealkessel allerdings "gradientenloser Kreislaufreaktor" und ist ein kleines technisches Wunderwerk.

Kinetik der Kalksteinauflösung

Bei der Rauchgasreinigung hinter Kraftwerken wird in der Regel Kalkstein als reaktives Absorbens eingesetzt, aus dem, nach erfolgter Reaktion mit Schwefeldioxid und Oxidation mit Sauerstoff, verwendbarer Gips entsteht.

Ein wichtiger Teilschritt bei diesem Prozess ist die pH-Wert-abhängige Auflösungsgeschwindigkeit von Kalkstein. Mit einer einfachen Titrationsapparatur lässt sich die Kinetik der Kalksteinauflösung bestimmen.

Oxidation von Natriumsulfit / gefälltem Kalziumsulfit

Ein weiterer wichtiger Teilschritt bei dem Prozess der Rauchgasreinigung ist die Oxidation des gebildeten Kalziumsulfites zu Kalziumsulfat (Gips). In zwei Experimenten, der Oxidation von Natriumsulfit und der pH-Wert-abhängigen Oxidation von gefälltem Kalziumsulfit, lässt sich der Einfluss des Stofftransportes quantitativ ermitteln und die Parameter eines makrokinetischen Modells bestimmen.

Rohrreaktor im Technikum

Der Rohrreaktor im Technikum (Bild links) unterscheidet sich deutlich in seinem Zeit- und Reaktionsverhalten von einem Laborreaktor. Nur aufwendige Rechenoperationen können den Einfluss des relativ hohen, durch die Strömung bedingten Vermischungsgrades in einem solchen Rohr auf die chemische Reaktion beschreiben.

Das Simulationsprogramm "Reasim" (welches an der Hochschule innerhalb einer Diplomarbeit entstanden ist) berechnet den Reaktionsverlauf bei verschiedenen Vermischungsgraden. Von einem idealen Rohrreaktor bis hin zum ideal vermischten Rührkessel, nimmt der erzielbare Umsatzgrad bei einer chemischen Reaktion stetig ab (zweites Bild).

Rührkessel-Reaktoren

Sehr große Rührkessel-Reaktoren, wie sie oft in der chemischen Industrie angetroffen werden, sind von einem "idealen" Verhalten weit entfernt (Bild 1). Die mathematische Beschreibung eines solchen Reaktors kann über ein "Gemischtes Modell" durchgeführt werden. Ein solches Modell wird aus idealen Reaktorkomponenten zusammengestellt. Allerdings müssen die Modellparameter durch Messen des Zeitverhaltens bestimmt werden.

Dazu wird eine Stoßmarkierung durchgeführt und mit dem Simulationsprogramm "Reasim" ausgewertet (Bild 2). An dieser Stelle sei Herrn Thomas Meyer für seine herausragende Diplomarbeit zur Erstellung des Simulationsprogramms "Reasim" herzlich gedankt!

Ermittlung Reaktionsgeschwindigkeitsgesetz Reaktionen in flüssiger Phase

Alles braucht seine Zeit! Das gilt auch für chemische Reaktionen. Die Untersuchung der Zeitabhängigkeit eines Reaktionssfortschritts vermittelt grundlegende Einsichten in den Betrieb eines chemischen Reaktors.

In diesem Versuchsstand werden Reaktionen in flüssiger Phase durchgeführt. Die zeitliche Änderung der Gemischzusammensetzung wird photometrisch gemessen. Nach sachgerechter Auswertung erhält man schließlich ein Reaktionsgeschwindigkeitsgesetz.

Phasengleichgewicht eines Zweistoffgemisches

Das Grundverständnis einer destillativen Stofftrennung wird hier mit vergleichsweise niedrigem apparativen Aufwand erzielt. Es wird noch „Hand angelegt“, damit man sieht, was passiert!

Hier wird ein sog. Phasengleichgewicht eines Zweistoffgemisches (binäre Mischung) experimentell ermittelt.

Rektifikationskolonne

Lang und dünn,
unten heiß
und oben kalt.

So erscheint uns eine Rektifikationskolonne, in der ein Flüssigkeitsgemisch in seine Bestandteile aufgetrennt wird.

So wird Schnaps destilliert oder auch Rohöl in seine Fraktionen zerlegt.

Pumpen- und Anlagenkennlinien einer Kreiselpumpe

Was haben ein Springbrunnen, eine Saturn-5-Rakete und der gute alte „Dullnraamer“ gemeinsam?

Richtig! Alle fördern Flüssigkeiten.

Einmal ist es Wasser, einmal flüssiger Wasserstoff und Sauerstoff. Was der letztgenannte fördert, wird nur dem verraten, der hier studiert!

Die richtige Pumpe für den richtigen Zweck!

Eine typische Chemie-Pumpe – wie hier im Bild – sieht anders aus als die Einspritzpumpe eines Verbrennungsmotors. Die Physik dahinter aber ist identisch. Flüssigkeitsströmung, Druckverlust, Pumpen- und Anlagen-Kennlinien werden an dieser Apparatur im technischen Maßstab untersucht.