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Reaktionsmischpumpen Misch- und Reaktionstechnik mit Reaktionsmischpumpen

Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. Dieter Fink / Jörg Kempf

Sie stehen vor der Aufgabe, für Misch- oder Stoffübertragungsvorgänge neue Verfahren zu entwickeln, und suchen nach geeigneten Versuchsapparaturen? Reaktionsmischpumpen bieten eine Alternative zu Laborrührreaktoren oder Mischern aus der Mikroreaktionstechnik.

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Reaktionsmischpumpen haben sich bisher in einem breiten Einsatzspektrum von 5 l/h bis 30 m³/h bewährt. Eine Übertragung aus dem kleintechnischen Maßstab in die Produktionsreife ist durch ein Up-Scaling umsetzbar.
Reaktionsmischpumpen haben sich bisher in einem breiten Einsatzspektrum von 5 l/h bis 30 m³/h bewährt. Eine Übertragung aus dem kleintechnischen Maßstab in die Produktionsreife ist durch ein Up-Scaling umsetzbar.
(Bild: Fink Chem+Tec)

Für die Realisierung von Misch- und Reaktionsprozessen werden in aller Regel Rührkesselreaktoren, Rotor-Stator-Mischer, Rührbehälterkaskaden oder auch statische Mischer eingesetzt. Für den Anwender wird es jedoch zunehmend wichtig, schnell und mit einfachen, aber effizienten Versuchsapparaturen Mischprozesse mit unterschiedlichsten Stoffeigenschaften oder Reaktionsbedingungen für komplexe Reaktionen aufzubauen.

Zudem werden die Ansprüche an die Intensität einer Durchmischung oder an die Reaktionsausbeuten und deren Selektivität immer höher. Es gilt also, den stetig steigenden Sicherheitsanforderungen an die Prozessführung gerecht zu werden, indem man auf kleinere Reaktionsvolumina und hermetisch gekapselte Ausrüstungen zurück greift.

Reaktionsmischpumpen in anspruchsvollen Werkstoff-, Druck- und Temperaturauslegungen können in diesem Umfeld wirtschaftliche Alternativen mit hohem Sicherheitsstandard bieten. Sie stellen im weitesten Sinne Peripheralradpumpen mit mehreren Eintragsoptionen für Fluid- und Gaseintrag, Heiz- und Kühlanschlüssen und in magnetgekuppelter, dichtungslosen Bauweise dar.

Das Peripheralrad enthält stirnseitig symmetrisch angeordnete Kammern. Diese bilden mit den ringförmigen Kanälen an den Stirnseiten des Pumpenkopfes die peripheralradtypischen Druckzellen. Ein Unterbrechersteg bewirkt eine stetige Druckzunahme in der Pumpenkammer. Dieser Druckaufbau führt dazu, dass ein Teil der Flüssigkeit bzw. des Reaktionsgemisches in die Laufradzellen gedrängt und letztendlich über das Laufrad in den Förderkanal niederen Druckes gespült wird.

Die sich einstellende Zirkulationsströmung führt zu einem ständigen Austausch und intensiver Durchmischung zwischen Fluidanteilen in den ringförmigen Förderkanälen und den Fluidanteilen aus den Druckzellen. Der Impulsaustausch erzeugt intensive Turbulenzen mit einem hohen Energieeintrag und kann für ausgewählte Reaktionen oder für schwer mischbare Flüssigkeiten genutzt werden. Auch gasförmige Bestandteile können homogen verteilt werden.

Praxisbeispiele für den Einsatz von Reaktionsmischpumpen finden Sie auf der nächsten Seite.

Typische Anwendungsgebiete mit hohem Optimierungspotenzial sind z.B. Grenzflächenreaktionen mit Produkten, die sich nicht ineinander lösen und zudem extrem unterschiedliche Viskositäten aufweisen. Bisher wurden solche Reaktionen mit hohen Anlage- und Wartungskosten, z.B. in Rührwerkskaskaden mit außenliegenden Wärmetauschern und großen Umwälzpumpen durchgeführt.

Beispiel Phosgenumsetzung

Komplexe Versuchsparamter galt es, z.B. bei einer Phosgenumsetzung in der BASF zu berücksichtigen. Die Reaktionsmischpumpe musste die sichere Handhabung des hochgiftigen Phosgens bei teils recht hohen Temperaturen und Drücken erfüllen und zudem als feststoffbeständiges und rückvermischendes System mit möglichst kurzen Mischzeiten ausgelegt werden. Kontinuierliche Mikromischer schieden für diese Anwendung aus, da die Mikrostrukturen zu schnell verstopfen und die geforderte Rückvermischung durch die Ausbildung laminarer Strömungen fehlte. Klassische Laborrührreaktoren konnten nicht die ausreichend hohe Durchmischung und die gewünscht kurzen Mischzeiten erreichen.

Beispiel Magnetit-Suspension

Am Fraunhofer Institut IFAM konnten Magnetit-Suspensionen durch Fällung im Reaktionsmischer hergestellt werden. Mit der klassischen Fällung im Rührreaktor konnten Partikel <100 Nano nicht reproduzierbar und in enger Partikelgrößenverteilung hergestellt werden. Als Zielgröße wurden aber Partikel in einer Größenordnung <20 Nano bei möglichst monodispers verteilter Partikelgröße angestrebt. Für die Fällungsreaktion kamen Ammoniumhydroxid (NH4OH) und eine Eisenchloridlösung zum Einsatz.

Mit einer Reaktionsmischpumpe konnten die Zielparameter erreicht werden. Weitere Beispiele belegen das hohe Potenzial alternativer Reaktionsführung in einer Reaktionsmischpumpe (siehe Tabelle in der Bildergalerie). Zusätzliches Optimierungspotenzial in der Reaktionsführung kann durch die Nutzung einer Vormischkammer (z.B. Vormischung eines Reaktionsproduktes mit einem Katalysator oder Vormischung eines Lösungsmittels mit einem Gas (Keton/Acetylen) erschlossen werden.

Reaktionsmischpumpen haben sich bisher in einem breiten Einsatzspektrum von 5 l/h bis 30 m3/h bewährt. Eine Übertragung aus dem kleintechnischen Maßstab in die Produktionsreife ist durch ein Up-Scaling umsetzbar.

* Der Autor ist Geschäftsführer der Fink Chem + Tec GmbH & Co. KG, Leinfelden-Echterdingen.

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