Sicheres Scale-Up in der thermischen Verfahrenstechnik

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30.06.2011 Statische Mischer-Wärmeübertrager vom Typ CSE-XR werden seit vielen Jahren in der chemischen Reaktionstechnik eingesetzt. Jetzt wurde auf Basis des CSE-XR-Mischer-Wärmeübertrager das Contiplant Pilot und Contiplant LAB-System entwickelt, um ein sicheres und nahtlose Scale-Up vom Labor bis zur Produktion nahezu beliebiger Größe sicherzustellen.

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Entscheider-Facts Für Anwender

  • Mit den Contiplant-Systemen entsteht durch ein ausgeklügeltes Baukastensystem eine bisher nicht verfügbare Flexibilität für den Labor-, Pilot- sowie den Produktionseinsatz einer Anlage.
  • Trotz ihrer geringen Abmessungen übertreffen stapelbare Contiplant-Reaktoren traditionelle Reaktoren aufgrund ihrer Raum-/Zeitausbeute bei Weitem.
  • Da sie keine bewegten Teile aufweisen, flexibel und anwendungsspezifisch ausgelegt werden können, erzielen sie deutliche wirtschaftliche Vorteile.
  • Das enge Verweilzeitspektrum, die hohe Mischleistung und das sehr hohe Wärmetransportvermögen ermöglichen die kontinuierliche Produktion qualitativ hochstehender Produkte, auch bei stark exo- oder endothermen Reaktionen und zeitlich kritischen Reaktionsfolgen mit gegenüber Batchprozessen deutlich verbesserter Raum-Zeit-Ausbeute, also einer Prozess-Intensivierung.

Viele Unternehmen aus der Kunststoffherstellung, der Fein- und Spezialchemie nutzen CSE-XR-Mischer-Wärmeübertrager für die kommerzielle Produktion, weil diese Wärmeübertrager ein sehr gutes Oberflächen-/Volumenverhältnis bei hoher Mischleistung und moderatem Druckverlust besitzen. Für Produkt- und Verfahrensentwicklung ist dies ein entscheidendes Scale-up-Kriterium, um mit geringem experimentellen Aufwand von Labor und Technikum in den Produktionsmaßstab zu gelangen. Bisher war der Verfahrensentwickler bei der Planung und dem Design von Labor- und Technikumsapparatur auf die geschickte Kombination verfügbarer Apparate, Verbindungs- sowie Mess- und Regeltechnik angewiesen. Es zeigte sich häufig, dass diese nur annähernd in ihren Dimensionen zusammenpassten.

Der Einfluss dieser suboptimalen Kombinationen auf den Reaktionsverlauf war schwer einschätzbar und vergrößerte das Scale-up-Risiko. Deshalb wurden das Contiplant-Pilot- und das Contiplant-LAB-System entwickelt, um einen sicheres und nahtloses Scale-up vom nahezu beliebiger Größe sicherzustellen. Verbindungs-, Mess- und Regel-Technik wurden an die Apparatedimensionen adaptiert und in das System integriert, um reale, vertrauenswürdige Messwerte zu erhalten und den Einfluss von Peripherie und Verbindungen zwischen den Apparaten auf den Reaktionsverlauf so klein wie möglich zu halten. Mit diesen neuartigen Systemen können auf einfache Weise Batch-Prozesse aus dem Reaktionskalorimeter auf die kontinuierliche Betriebsweise übertragen werden. Auch der direkte Start der kontinuierlichen Verfahrensentwicklung im Contiplant-System bei abschätzbaren reaktions- und verfahrenstechnischen Parametern ist möglich. Die Contiplant-Systeme wurden so konzipiert, dass dem Scale-up bezüglich Wärmeübergang, Verweilzeit und Mischleistung nahezu keine Grenzen gesetzt sind.

Vorteile bei kontinuierlicher
Reaktionsführung

Das Umstellen eines Batch-Prozesses auf die kontinuierliche Betriebsweise bietet entscheidende Vorteile, wie erhöhte Sicherheit, konstante Produktqualität und maximale Wirtschaftlichkeit. Die kontinuierliche Produktionsweise erfordert jedoch bereits in der Planungsphase das Berücksichtigen verschiedenster Einflussgrößen, wie Kinetik, Thermodynamik, Selektivität und Energieflüsse. Wenn diesen Schlüsselgrößen ausreichend Rechnung getragen wird, lässt sich eine kontinuierliche Reaktion sicher, konstant und mit größtmöglichen Raum/Zeit-Ausbeuten führen. Einmal in Betrieb genommen, bieten kontinuierliche Verfahren mehrere entscheidende Vorteile wie:

  • verbesserte Reaktionskontrolle,
  • gleichbleibende Produkteigenschaften und -qualität,
  • kleines Reaktionsvolumen,
  • keine Totzonen,
  • stabile Betriebsweise,
  • geringer Platzbedarf sowie
  • verringerter Wartungs- und Reinigungsaufwand.

Trotz ihrer geringen Abmessungen übertreffen stapelbare Contiplant-Reaktoren traditionelle Reaktoren aufgrund ihrer Raum-/Zeitausbeute bei weitem. Da sie keine bewegten Teile aufweisen, flexibel und anwendungsspezifisch ausgelegt werden können, erzielen sie deutliche wirtschaftliche Vorteile. Das enge Verweilzeitspektrum, die hohe Mischleistung und das sehr hohe Wärmetransportvermögen ermöglichen die kontinuierliche Produktion qualitativ hochstehender Produkte, auch bei stark exo- oder endothermen Reaktionen und zeitlich kritischen Reaktionsfolgen mit gegenüber Batchprozessen deutlich verbesserter Raum-Zeit-Ausbeute, also einer Prozess-Intensivierung.

Hohe Flexibilität auch
bei kleinen Mengen

In der chemischen Produktion werden im Batchbetrieb arbeitende Produktionsanlagen zunehmend von kontinuierlich arbeitenden Anlagen abgelöst, da der kontinuierliche Betrieb die beschriebenen Vorteile besitzt. Im Bereich von Kleinmengen, Produkten mit vielen Variationen und Laboranwendungen besteht verbreitet die Meinung, dass ein Umstellen auf kontinuierliche Prozesse schwieriger ist und dass der Batch-Reaktor eine größere Flexibilität aufweist. Der Schlüssel zu einem kontinuierlichen System mit entsprechend großer Flexibilität liegt jedoch in schneller Produktumstellung aufgrund enger Verweilzeitverteilung des gesamten Systems, einem schnellen Umstellen von Volumen, Mischverhalten und Wärmeübertragungspotenzial des Reaktors zum Anpassen an unterschiedliche kinetische und reaktionstechnische Anforderungen und in einer anpassbaren Automatisierungslösung. Mit den Contiplant-Systemen entsteht durch ein ausgeklügeltes Baukastensystem eine bisher nicht verfügbare Flexibilität für den Labor-, Pilot- sowie den Produktionseinsatz einer Anlage. Contiplant-Rohrreaktoren können beispielsweise für folgende Reaktionen eingesetzt werden: Veresterungen, Nitrierungen, Diazotierungen, Umlagerungen, Alkylierungen, Halogenierungen, Hydrierungen, Oxidationen, Neutralisationen, Polymerisationen, Polymeraufbereitung etc.

Charakterisierung der Reaktion

Mithilfe einer Literaturrecherche und entsprechend gestalteten Experimenten im Reaktionskalorimeter, Rührwerksreaktor oder gar im einfachen Becherglas lassen sich eine Fülle von technischen Informationen gewinnen, wie etwa Reaktionsgeschwindigkeit (Kinetik), Wärmetönung und das chemische Gleichgewicht (Thermodynamik), Selektivität, Umsatz, Nebenprodukte, Viskositätsverlauf, erforderliche Energiedissipation zur Mischung, Temperaturabhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit nach Arrhenius etc. Diese Daten aus dem Batch-Reaktor können mithilfe einfacher Modelle auf kontinuierlich arbeitende Contiplant-Reaktoren übertragen werden. Unter Berücksichtigung der Anfangstemperatur, der Mischeffizienz sowie der Wärmeströme wird die Reaktionszeit im Batch-Reaktor zur Verweilzeit im kontinuierlichen Rohrreaktor. Aufgrund der ermittelten kinetischen und thermodynamischen Daten sowie der gerechneten Wärmeübergänge werden die gerechneten Temperaturprofile in der Praxis nicht selten auf ± 1 °C genau bestätigt. Dies ist besonders bei temperatursensitiven oder gar explosiven Stoffen oder bei Reaktionen mit starker Wärmetönung von sehr großer Bedeutung. Die Wärmebilanz für den idealen kontinuierlichen Strömungsreaktor ist eine gute Berechnungsgrundlage für Contiplant-Reaktoren.

Contiplant-Systeme bestehen in der Regel aus einem der folgenden Reaktorkonzepten:

  • kontinuierlicher Rohrreaktor,
  • kontinuierlicher Verweilzeitreaktor oder
  • kontinuierlicher Kaskadenreaktor.

Bei einem Vergleich der verschiedenen Reaktoranordnungen können für eine Reaktion des Typs A + B R C bezüglich Reaktionsverlauf, Verweilzeitverhalten und erreichbare Endkonzentration zwei Aussagen gemacht werden. Bei allen Reaktorkonzepten nimmt die Produktkonzentration vom Anfangswert co kontinuierlich bis zum Endwert cE zu. Dabei laufen die Reaktionen immer bei der lokal höchstmöglichen Eduktkonzentration ab. Im Falle einer sehr exothermen Reaktion wird zur besseren Kontrolle beim kontinuierlichen Rohrreaktor ein kaskadiertes Dosieren eines der Reaktanden bevorzugt. Alle drei Reaktorkonzepte weisen hohe Bodenstein-Zahlen von üblicherweise 100 bis maximal 400 auf; dies entspricht einer Rührkesselkaskade von rund 50 bis 200 Rührkesseln.

Schnelle und langsame Reaktionen

Als schnell wird eine Reaktion bezeichnet, wenn die Umsetzung bereits nach (Bruchteilen) einer Sekunde vollständig beendet ist. Die beeinflussende Größe ist in diesem Fall nur die Mischeffizienz des verwendeten Contiplant-Reaktors. Da schnelle Reaktionen praktisch sofort nach dem Kontaktieren der Reaktionspartner ablaufen, ist die kontrollierte Wärmeabfuhr insbesondere bei Rührkesseln im Großmaßstab oft ein signifikantes Problem und Sicherheitsrisiko. Abhilfe schafft häufig ein Verdünnen mit Lösemittel, was aber erheblichen Einfluss auf Reaktionsgeschwindigkeit und -zeit sowie Raum-Zeit-Ausbeute und die Produkteigenschaften hervorruft. In kontinuierlichen Rohrreaktoren oder in kontinuierlichen Kaskadenreaktoren lässt sich der Zeitpunkt der größten Wärmeentwicklung hingegen örtlich präzise voraussagen. Volumen, Verweilzeit, spezifische Oberfläche und Wärmeabfuhr lassen sich in Contiplant-Reaktoren weitgehend frei definieren. Das Reaktionsvolumen und das Betriebsrisiko können dementsprechend minimal gehalten werden. Darüber hinaus bietet das Contiplant-System die Möglichkeit, direkt vor bzw. im Reaktoreingang zu mischen; dies reduziert das Potenzial eines gefährlichen Hot-spots oder Fehlproduktanteils aufgrund fehlender Mischintensität oder Wärmeabfuhr drastisch. Dies lässt sich im Contiplant-System aus dem Labor bis in den Produktionsmaßstab durchgängig realisieren.

Die kontinuierliche Betriebsweise von langsamen Reaktionen mit dem kontinuierlichen Verweilzeitreaktor erfordert oft ein besonderes Augenmerk auf die Verweilzeitverteilung. Diese kann durch einen Dirac-Stoß erfasst werden. Je enger das Zeitfenster beim Austritt des Tracers ist, desto stärker nähert sich die Fließcharakteristik einer Pfropfenströmung an. Die Breite der Verweilzeitverteilung wird durch die Bodensteinzahl Bo [-] ausgedrückt bzw. charakterisiert (je größer Bo, desto enger). Die starke radiale Mischeffizienz von statischen Mischelementen ist unabhängig von der Viskosität der Medien. Speziell gestaltete Ein- und Auslaufstrecken ermöglichen auch bei Reaktionszeiten von mehreren Stunden äußerst enge Verweilzeitverteilungen. CSE-X-Verweilzeitreaktoren von bis 70?m Gesamtlänge (DN 450) werden erfolgreich betrieben.

Standardisierte Messstellen

Besonders sinnvoll sind die optimierten Ein- und Ausläufe der Contiplant-Systeme. Neben der strömungsoptimierten Form sind die Leerrohrvolumina so auf ein Minimum reduziert, dass bei jedem Reaktor-Eintritt oder -Austritt trotzdem bis zu drei Messstellen platziert werden können. An den Messstellen können eigens entwickelte und speziell an die Dimensionen angepasste Minidrucktransmitter, Temperatursensoren, Probenahmeventile, Impfstellen und auch entsprechende Messstellen zur Prozesskontrolle und für die Analyse installiert werden.

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Heftausgabe: Juli 2011

Über den Autor

Alain Georg, Geschäftsführer Fluitec
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