Konzentrationsführung

Konzentrationsführung ist ein Begriff aus der chemischen Reaktionstechnik. Man versteht darunter ein Vorgehen, bei dem die Konzentrationen der Komponenten im Reaktionsraum gezielt über Raum und Zeit eingepegelt werden.

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Eine Optimierung von Reaktoren mit Hilfe einer Konzentrationsführung hat zur Zielsetzung, dass eine möglichst hohe Spezifische Produktleistung erhalten wird, dies ist gleichbedeutend mit einer minimalen Raumzeit, was wiederum bedeutet: möglichst viel Produkt in möglichst kurzer Zeit und in einem möglichst kleinen Reaktionsraum.

Dies heißt aber auch mit anderen Worten, dass über Raum und Zeit immer eine maximal erreichbare Reaktionsgeschwindigkeit erzielt werden muss. Da die Reaktionsgeschwindigkeiten nach Maßgabe der Reaktionskinetik von den Konzentrationen abhängen, wird die Notwendigkeit einer Konzentrationsführung zur Optimierung plausibel. Bei der Konzentrationsführung unterscheiden wir 2 Fälle:

• die Produktbildung ist eindeutig mit dem Umsatz verknüpft, d.h.bei 70% Umsatz wurden 70% Edukt zu 70% Produkt umgesetzt etc. bis zu 99,9999%. Die Optimierungsstrategie ist hier einfach, man nennt diese: Umsatzorientierte Optimierung. Es kann gezeigt werden, dass im Falle einer derartigen Optimierung immer die vollständig nichtrückvermischten Reaktoren AIK und IR am besten sind, während die vollständig rückvermischten Reaktoren vom Typ KIK sehr ungünstig sind.
  • Man wählt also einen möglichst hohen Umsatz und führt die Reaktion entweder absatzweise im AIK oder kontinuierlich im IR durch.
• komplexe Reaktionen, bei denen bei bestimmten Umsätzen nicht die dem Umsatz entsprechenden Produktmengen erhalten werden, oder aber auch Reaktionen bei denen nur ein maximaler Umsatz erreicht werden kann, z.B. Gleichgewichtsreaktionen.
  • Letztere sind dadurch gekennzeichnet, dass hier die umsatzorientierte Strategie nur bis zum maximal erreichbaren Unmsatz angewendet werden kann, denn weiter kann die Reaktion ja nicht betrieben werden.
    • Man wählt hier also den erreichbaren maximalen Umsatz und führt die Reaktion wieder im vollständig nichtrückvermischten AIK oder IR durch.
  • Alle anderen komplexeren Reaktionen erfordern eine eingehende Untersuchung der Charakteristik des Reaktionsnetzwerks und in den meisten Fällen muss durch eine geeignete Schaltung von rückvermischten (KIK) und nichtrückvermischten (vorzugsweise IR) Reaktoren der Konzentrationsverlauf über Raum und Zeit gezielt geführt werden. Beispiele für derartige Reaktionen sind: Katalytische Reaktionen, Autokatalytische Reaktionen, Polymerreaktionen u.v.a.

Alle diese Optionen der Konzentrationsführung zur Reaktor-Optimierung lassen sich sehr gut formalmathematisch und graphisch aufzeigen mit Hilfe der sogenannten 1/r(U) = f(U) Methode.