Wenn in der Verfahrenstechnik etwas gemischt oder Stoffe übertragen werden sollen, stehen verschiedene Apparate zur Wahl, z.B. Rührkessel, statische Mischer oder Strahlmischer. Schwierig wird die Misch- und Stoffübertragungsaufgabe dann, wenn die zu mischenden Edukte sich in ihrer Viskosität erheblich unterscheiden, sich schlecht ineinander lösen oder eines der Edukte gasförmig vorliegt. Treten bei der Vermischung unerwünschte Nebenreaktionen auf, spielt häufig neben der geforderten Mischungsqualität auch die Mischzeit eine entscheidende Rolle.
Wenn ein Prozess intensiviert werden soll, um höhere Selektivitäten oder Raumzeitausbeuten zu erzielen, steigen damit oft auch die Ansprüche hinsichtlich der Druck- und Temperaturbelastbarkeit der Mischaggregate. Bei der Verfahrensentwicklung ist es deshalb wichtig, dass Versuchsapparaturen schnell und mit einfachen Mitteln aufgebaut werden können, mit denen sich dann bei einem möglichst breiten Spektrum an Reaktionsbedingungen homogene und stabile Gemische herstellen lassen. Gleichzeitig müssen die Apparate den zunehmenden Sicherheitsanforderungen gerecht werden. Dies wird z.B. mit kleineren Reaktionsvolumina und hermetisch gekapselte Maschinen erreicht.
Reaktionsmischpumpen können hier eine sinnvolle Alternative sein. In ihnen lassen sich Mischvorgänge auch unter hohen Systemdrücken durchführen. In geeigneter Auslegung und zusammen mit einem dichten magnetgekuppelten Antrieb kann eine Reaktionsmischpumpe selbst Gase und Flüssigkeiten fördern und mischen, die als gesundheitlich sehr gefährliche (T+) Stoffe klassifiziert sind.
Reaktionsmischpumpen sind im weitesten Sinne Peripheralradpumpen. Sie besitzen jedoch mehrere Eintragsstutzen, über die Fluide und Gase in die Pumpe gelangen. Je nach Bedarf kann der Pumpenkopf zudem mit Anschlussmöglichkeiten für Heiz-, Kühl- und Spülkreisläufe ausgestattet sein. Für jede Komponente befindet sich in der Umfangswand der Mischkammer eine Einlassöffnung, deren Strömungsquerschnitt entsprechend der Viskosität des Fluides, dem gewünschten Mischverhältnis oder der zu erwartenden Reaktion ausgelegt wird.
Reaktionsmischpumpemit Druckzellen
Der Mischrotor enthält stirnseitig symmetrisch angeordnete Kammern. Diese bilden mit ringförmigen Kanälen an den Stirnseiten der Mischkammer die peripheralradtypischen Druckzellen. Durch die stetige Druckzunahme in der Mischkammer wird ein Teil der Flüssigkeit in diese Druckzellen gedrängt, verdichtet und letztendlich durch die entstehenden Turbulenzen über den Mischrotor gespült. Diese Zirkulationsströmung führt in wechselseitiger Folge zu einem ständigen Austausch des schneller umlaufenden Flüssigkeitsstromes über die Druckzellen und den langsameren Fluidtransport über den Umfang der Mischkammer. Die intensive Durchmischung erzeugt ein besonders homogenes, stabiles Gemisch, welches kontinuierlich über die Auslassöffnung ausgetragen wird.
Für eine hohe Chemikalienbeständigkeit werden die Mischer in Hastelloy, Tantal oder Siliziumkarbid für die produktberührenden Teile sowie mit PTFE- oder Kalrezdichtungen ausgelegt. Auch Kunststoffauskleidungen mit antistatischen PTFE oder PFA sind möglich. Je nach Werkstoff können Reaktionsmischpumpen Systemdrücke bis 350bar und Temperaturen von 450°C aushalten. Mit der richtigen Auswahl des Werkstoffes lässt sich außerdem verhindern, dass die Mischer durch Feststoffanteile im Fluid, z.B. durch Ausfällungen während einer Reaktion, verschleißen. Den gleichen Zweck haben die entsprechende Auslegung von Laufrad, Spalttopf und Wellenlagerung. Falls nötig werden Spalttopf und Lager über einen separaten Zuführstutzen mit klarer Flüssigkeit gespült. Reaktionsmischpumpen werden ausschließlich mit magnetgekuppelten Antrieben ausgerüstet. Bei Bedarf können Doppelspalttöpfe verwendet werden, um den Sicherheitsanforderungen im Falle von toxischen oder korrosiven Medien wie Säuren, Laugen und Lösungsmitteln gerecht zu werden.
In Abhängigkeit der jeweiligen Reaktionsbedingungen, der chemischen Zielsetzungen oder der verfahrenstechnischen Randbedingungen lassen sich die Reaktionsmischpumpen mit vielfältigen Sonderausstattungen ergänzen. Je nachdem, wie viskos und reaktiv die Edukte sind, wie lang die Reaktionszeit ist oder ob einer der Reaktionspartner gasförmig vorliegt, können die Pumpenköpfe mit einer zusätzlichen Vormisch-, Doppelmisch- oder Verweilzeitkammer und mit Doppellaufrädern ausgestattet werden. Über einen zusätzlichen Eintragsstutzen kann das Zwischenprodukt in den Förderraum rückgeführt werden. Sind exotherme oder endotherme Reaktionen zu erwarten, lassen sich die Pumpen mit beheizten oder gekühlten Pumpenköpfen ausrüsten. So kann beispielsweise eine Reaktion isotherm gefahren oder eine Schmelze vor Auskristallisierungen geschützt werden. Dazu stehen Pumpenköpfe mit einer Heizkammer oder mit beheizbarem Spalttopf zur Verfügung.
Für ein konkretes Projekt bei der BASF in Ludwigshafen galt es, zur Optimierung eines technischen Prozesses ein geeignetes Misch-/Reaktionssystem im Labormaßstab aufzubauen. Während des Prozesses fand eine schnelle chemische Umsetzung mit Phosgen statt. Die Scale-Up-Fähigkeit des Reaktionssystems spielte in der anstehenden Screening-Phase noch keine Rolle. Der Fokus der Arbeiten lag darauf, innerhalb kurzer Zeit die Reaktionsbedingungen sicher und in einem breiten Spektrum zu testen. Aus Sicherheitsgründen sollte der Phosgen-Hold-Up im Versuchsreaktor möglichst gering sein. Damit verbunden waren sehr niedrige Förderraten, die weit unter einem Liter pro Stunde lagen. Für ein möglichst breites Screening der Reaktionsbedingungen sollte das Phosgen auch im überkritischen Zustand in den Versuchsreaktor eingebracht werden. Der kritische Punkt liegt bei Phosgen bei 58bar und 180°C. Zudem war zu berücksichtigen, dass auch Feststoffe in geringen Anteilen im System vorhanden sein können.
Sichere Versuchsbedingungenfür Phosgenumsetzung
Ein druckbeständiger Reaktor war somit die entscheidende Voraussetzung für den Aufbau der Reaktionsstufe. Dieser musste die sichere Handhabung des sehr giftigen Phosgens bei teils recht hohen Temperaturen und Drücken erfüllen und zudem als feststoffbeständiges und rückvermischendes System mit möglichst kurzen Mischzeiten ausgelegt werden. Die Suche nach einem geeigneten Reaktor gestaltete sich zunächst schwierig. Bei klassischen Laborrührreaktoren war es fraglich, ob mit diesen eine ausreichend gute Durchmischung und die gewünschten kurzen Mischzeiten erreicht würden. Kontinuierliche Mischer aus der Mikroreaktionstechnik schienen zwar unter dem Aspekt der gestellten Sicherheitsanforderungen an die Anlage eine Alternative zu sein. Sie schieden jedoch aus, weil die feinen Mikrokanäle zu schnell verstopften und außerdem die geforderte Rückvermischung durch die Ausbildung laminarer Strömungen in den Mikrokanälen fehlte.
Die Wahl für die Versuchsanlage fiel schließlich auf einen Reaktionsmischer in dichtungsloser, magnetgetriebener Version, um den Sicherheitsansprüchen im Umgang mit Phosgen gerecht zu werden. Gehäuse, Laufrad, Spalttopf und Pumpenrotor wurden in Edelstahl HC2.4610 ausgelegt. Pumpenwelle und Lagerbuchsen bestehen aus SiC-Keramik. Hierdurch wird eine hohe Chemikalienbeständigkeit erreicht. Damit Feststoffanteile im Wellenlager- und Spalttopfbereich keine Verstopfungen und mechanische Beschädigungen des Reaktors verursachen können, wurde ein separater Spülanschluss eingerichtet.
Gesamtvolumenstromstufenlos regeln
Der Hold-up im Pumpenkopf betrug 6ml. Die Edukte wurden mittels HPLC-Pumpen in den Reaktionsmischer eindosiert. Der Gesamtvolumenstrom der Edukte kann stufenlos über einen Frequenzumrichter zwischen weit unter einem bis 40l/h geregelt werden, um verschiedene Verweilzeiten einstellen zu können. Im Versuch wurden die Stöchiometrie der Edukte und die Reaktionstemperatur variiert. Der Austrag aus dem Reaktionsmischer wurde nach Entfernung von Phosgenresten analytisch untersucht. Sowohl im Hinblick auf die erforderliche Mischungsgeschwindigkeit als auch auf die Beständigkeit gegenüber Feststoffen erfüllte die Reaktionsmischpumpe die geforderten Bedingungen.
Fazit:Wenn für Misch- oder Stoffübertragungsvorgänge neue Verfahren entwickelt werden sollen, sind schnell und einfach zu bauende Versuchsapparaturen hilfreich. Diese müssen robust und sicher sein, damit ein möglichst breites Spektrum an Reaktionsbedingungen getestet werden kann. Reaktionsmischpumpen stellen hier eine Alternative zu Laborrührreaktoren oder Mischern aus der Mikroreaktionstechnik dar. Sie sind im weitesten Sinne Peripheralradpumpen, haben jedoch mehrere Eintragsstutzen. Ihre peripheralradtypischen Druckzellen tragen zu einer intensiven Durchmischung bei. Dadurch werden Gemische besonders homogen und stabil.
