Die Chemische Reaktionstechnik ist ein Untergebiet der Technischen Chemie bzw. der Chemischen Verfahrenstechnik.

Kernaufgabe ist die Auslegung von chemischen Reaktoren. Im chemischen Reaktor finden neben der gewünschten chemischen Umsetzung von Ausgangsstoffen in Zielprodukte oft noch unerwünschte Neben- und Folgereaktionen statt. Der chemische Reaktor wird oft als das "Herz der Chemieanlage" bezeichnet. An ihn schließen sich oft aufwändige Trennprozesse (z.B. Destillation) an, durch die das gewünschte Produkt von Nebenprodukten und nicht umgesetzten Ausgangsprodukten abgetrennt wird. Ziel ist ein optimaler Reaktor hinsichtlich seiner Betriebs- und Investitionskosten. Erstere sind im Wesentlichen vom Energiebedarf und von der Selektivität der chemischen Reaktion im Reaktor bestimmt.

Zur Lösung dieser Aufgabe muss der Reaktionstechniker nicht nur Kenntnis über die physikalischen Stoffeigenschaften (z.B. Dichte, Viskosität) der einzelnen Stoffe haben, sondern es muss auch die Geschwindigkeit der einzelnen Reaktionen bekannt sein. Die Geschwindigkeit der chemischen Reaktionen wird auch als Reaktionskinetik bezeichnet. Sie hängt stark von Temperatur und Zusammensetzung der Reaktionsmischung ab, oft auch vom Druck (wenn Gase an der Reaktion beteiligt sind). Oft ist im Reaktor ein Katalysator vorhanden, der die gewünschte Reaktion beschleunigt und so eine wirtschaftliche Durchführung der Reaktion oft erst ermöglicht. Etwa 80% der in der chemischen Industrie durchgeführten Reaktionen sind katalytisch.

Wichtige Auslegungsparameter für einen Reaktor sind die durchschnittliche Verweilzeit der Reaktionsmischung im Reaktor, Temperatur und Druck sowie der sich daraus ergebende Umsatzgrad bzw. Ausbeute des gewünschten Produktes. Hinzu kommen oft noch Parameter, die vom Katalysator bestimmt sind, wie z.B. seine Standzeit oder seine aktive Oberfläche bei heterogenen Katalysatoren. Schließlich können auch Parameter, die mit einem nicht idealen Verhalten im Reaktor zusammenhängen, eine entscheidende Rolle spielen, hier zu nennen sind vor allem die Verweilzeitverteilung und die Vermischung.

Reaktortypen in der Chemischen Reaktionstechnik

Im allgemeinen wird zwischen folgenden (idealen) Reaktoren unterschieden:

• Diskontinuierlicher Betrieb: Der Reaktor muss erst befüllt werden, bevor die Reaktion starten kann. Nach deren Abschluss müssen die Produkte und übriggebliebenen Edukte entfernt, und der Reaktor gesäubert werden, bevor er wieder eingesetzt werden kann.
  • Der Stirred tank reactor (STR), auch Batch-Reaktor oder idealer diskontinuierlicher Rührkessel.
    In diesem System herrschen an jeder Stelle die gleiche Konzentration und die gleiche Temperatur ("Gradientenfrei"),es gilt also grad(c) = 0 und grad(T) = 0, bzw. für eine Dimension$\backslash frac\{\backslash partial\; c\}\{\backslash partial\; x\}\; =\; 0$ und $\backslash frac\{\backslash partial\; T\}\{\backslash partial\; x\}\; =\; 0$. Die Konzentration der an der Reaktion beteiligten Stoffe ändert sich also nur mit der Zeit.
• Kontinuierlicher Betrieb: Der Reaktor wird ständig auf der einen Seite mit Edukten befüllt, die an der anderen Seite wieder entnommen werden.
  • Der Continuously stirred Tank reactor (CSTR) oder idealer kontinuierlicher Rührkessel.
    Es findet eine vollständige Rückvermischung statt. Durch die Hintereinanderschaltung mehrerer CSTR's nähert sich ein derartiges System im Verhalten dem Plug-flow-reactor.
  • Der Plug-flow-reactor (PFR), auch ideales Strömungsrohr.
    In einem idealen Strömungsrohr finden die Stoffumwandlungen entlang des Fließweges statt. Die Konzentrationen ändern sich daher nur mit dem Ort, der Reaktor ist also stationär. Es gilt daher $\backslash frac\{\backslash partial\; c\}\{\backslash partial\; t\}\; =\; 0$

Technische Chemie