Massentransferbeschränkungen

Massentransferbeschränkungen bezeichnen Situationen, in denen Prozessgeschwindigkeit durch den Transport von Stoffen begrenzt wird, nicht durch die Reaktionskinetik selbst. Diffusion, Konvektion oder Membrantransport können den limitierenden Schritt darstellen.

Externe Massentransferbeschränkungen entstehen durch Widerstände in der äußeren Grenzschicht zwischen Gas oder Flüssigkeit und der Reaktionsoberfläche. Interne Beschränkungen betreffen den Transport innerhalb poröser Stoffe, Körner oder Tropfen.

Modelle nutzen Grenzschichttheorie oder Diffusionsgesetze (Fick). Kennzahlen wie Sherwood-Zahl (Sh) charakterisieren externen Transport; der Thiele-Modulus und der Effektivfaktor beschreiben innere Diffusion. Typische Größen sind auch k_g, k_L und effektive Diffusivitäten.

Anwendungen finden sich in der Katalyse (Festbettreaktoren), Gas–Flüssig-Transfer (Absorption, Rührkessel), Trocknung, Extraktion sowie Elektrochemie und Brennstoffzellen, wo Transport zu aktiven Zentren oder aus Produkten limitierend wirkt.

Auswirkungen sind geringere Reaktionsraten, höherer Energiebedarf und veränderte Ausbeuten. Designmaßnahmen umfassen größere Oberfläche, kürzere Diffusionswege, bessere Mischqualität oder mehrstufige Kontaktprozesse.

Die Berücksichtigung von Massentransferbeschränkungen ist ein zentraler Bestandteil des Reaktordesigns, der Trenntechnik und der Prozessoptimierung in Chemie, Verfahrenstechnik und Umwelttechnik.