Labor Reaktionstechnik

Die Effektivität von katalytischen Reaktionen hängt stark von der Oberflächenstruktur und Porencharakteristika der Feststoffe ab. Die neue Anlage (Quantachrome, NOVA 2200e) ermöglicht die Messung von Adsorptions-isothermen poröser  Feststoffe. Unter Vakuum, in definiertem Temperaturmilieu (Flüssigstickstoff), mit integrierter Vorbereitungsstation und unter Einsatz verschiedener Messgase können z.B. Oberflächenparameter oder Porengrößen bestimmt werden. Die zugehörige Software (NovaWin) ermöglicht zudem alle üblichen Darstellungs- oder Berechnungsarten, zum Beispiel die Berechnung von spezifischen Oberflächen von Kata- lysatoren nach Brunauer Emmett und Teller (BET).

Beispielhaft werden im Masterstudiengang Technische Biochemie in Anlehnung an die Biodieselgewinnung Rapsölethylester im Labormaßstab hergestellt. Die Reaktion kann gut über eine DC verfolgt werden, und nach Abtrennung des überschüssigen Ethanols und der Phasentrennung wird eine Massenbilanz durchgeführt. Insgesamt werden zusätzlich zu den reaktionstechnischen Betrachtungen die Vorteile vor allem aber auch die Nachteile dieser Energiegewinnung aus nachwachsenden Rohstoffen diskutiert. Prinzipiell kann der Reaktor auch im Rahmen anderer Versuche und Projekte eingesetzt werden. Die Umsetzung der Reaktionsstoffe kann für wässrige Systeme auch durch Messung der Leitfähigkeit verfolgt werden, wobei der Reaktor thermostatisiert werden kann und Druck und Temperatur in Abhängigkeit von der Zeit aufgenommen werden können. Der Reaktor besitzt ein Volumen von 3 Litern und ist bis 15 bar ausgelegt. Reaktionsmischungen können durch einen  direkten Anschluss in eine Kolonne mit einstellbarem Rücklaufverhältnis geleitet werden, die die Trennung der entstandenen Komponenten ermöglicht.

Strömungs- und Mischungsverhältnisse in Rohrreaktoren, Leitungen oder Kesseln spielen eine große Rolle in der chemischen Industrie. Um die auftretenden Effekte einschätzen zu können und die Konzentrationsverläufe an Reaktorausgängen berechnen zu können, wird das Verweilzeitverhalten in Strömungsrohren und einer Rührkesselkaskade über die Leitfähigkeit für verschiedene Strömungsverhältnisse und Rührereinstellungen bestimmt. Die Leitfähigkeiten werden dabei in Abhängigkeit von der Zeit automatisch erfasst. Die experimentellen Ergebnisse werden als Verweilzeitdichtefunktion und Verweilzeitsummenfunktion dargestellt und zusätzlich mit dem Kaskadenmodell auf Basis der eingestellten Versuchsparameter rechnerisch simuliert.

Nicht jede chemische Reaktion läuft bei Umgebungsbedingungen optimal ab. Viele Umsetzungen werden unter erhöhtem Druck und Einsatz von Katalysatoren erst möglich oder effektiver. In einem Hochdruckglasautoklav (Büchi Miniclav) können unter hohem Druck verschiedene Gase eingeleitet werden, und der Reaktionsverlauf kann mit Hilfe von Temperatur- und Druckmessungen dokumentiert werden. Im Praktikum Reaktionstechnik des Studienganges Chemie- und Umwelttechnik wird mit Wasserstoff die Hydrierung von Squalen in Cyclohexan mit einem Katalysator durchgeführt. Der Reaktionsverlauf der mehrphasigen Reaktion wird über die Druckabnahme verfolgt und diskutiert. Der Umsatz kann aus der Druckabnahme berechnet werden und mit Ergebnissen aus Messungen der Jodzahl verglichen werden.

Um nicht isotherme Reaktionen in ihren Konzentrationsverläufen rechnerisch beschreiben zu können, müssen die Temperaturabhängigkeiten der Geschwindigkeitskonstanten erfasst werden. Die Beschreibung der Temperaturabhängigkeit der Geschwindigkeitskonstanten ist mit der Arrhenius-Gleichung oder mit der Eyring-Gleichung möglich. Die hierfür notwendigen Parameter (präexponentieller Faktor und Aktivierungsenergie bei der Arrhenius-Gleichung bzw. die Enthalpieänderung und Entropieänderung zum Übergangszustand bei der Eyring-Gleichung) müssen experimentell ermittelt werden. Hierfür stehen verschiedene Rührkesselreaktoren zur Verfügung. In einem adiabatisch absatzweise betriebenen Rührkesselreaktor wird für die mit Eisen katalysierte Zersetzung von Wasserstoffperoxid die Aktivierungsenergie bestimmt, während mit mehreren Reaktionen bei unterschiedlichen Temperaturen in einem isotherm absatzweise betriebenen Rührkesselreaktor die Parameter für die Arrhenius- und Eyring-Gleichung für eine Verseifungsreaktion bestimmt werden. Die Konzentrationsänderungen in den Reaktoren werden jeweils über Leitfähigkeitsmessungen verfolgt, die direkt während der Reaktionszeit über ein Messdatenerfassungssystem aufgenommen werden. Mit den gewonnenen reaktionskinetischen Daten können dann die Konzentrationsverläufe in Abhängigkeit von der Zeit in den Reaktoren simuliert werden.