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Temperiergeräte Optimale Lösung zur Temperierung von Reaktoren

Autor / Redakteur: Thomas Pohl* / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Bei welcher Temperatur ist die Ausbeute einer chemischen Synthese am höchsten und wie lässt sich diese am besten einstellen? Moderne Temperiergeräte bieten auf solche Fragestellungen die richtigen Lösungen.

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Abb. 1: Die Temperierlösung muss auf den jeweiligen Reaktor abgestimmt sein.
Abb. 1: Die Temperierlösung muss auf den jeweiligen Reaktor abgestimmt sein.
(Bild: Julabo)

[Möchten Sie direkt zum Whitepaper, klicken Sie hier. Für weitere Informationen zum Thema lesen Sie einfach weiter:] Reaktortemperierungen in Pharma- und Chemielaboren sowie in Industrie- und Versuchsanlagen erfordern den Einsatz hochdynamischer Temperiersysteme. Bei der Überwachung von Reaktoren müssen endo- und exotherme Reaktionen im Inneren von Reaktoren extrem schnell und sicher kompensiert werden. Hier kommt es daher besonders auf die richtige Auswahl des passenden Temperiersystems unter Berücksichtigung verschiedener Bedingungen und Einflussfaktoren an.

Reaktortemperierung

In der Praxis kommen Reaktoren aus Glas oder Stahl zum Einsatz. Stahlreaktoren sind robuster und damit auch stärker belastbar. Dagegen bieten Glasreaktoren einen Blick auf die Vorgänge im Inneren des Reaktors. Glasreaktoren jedoch erfordern umfangreichere Sicherheitsmaßnahmen beim Betrieb. Grundsätzlich bestehen Reaktoren aus einem Innengefäß für die zu temperierende Substanz – auch als Temperiergut bezeichnet. Das Innengefäß ist von einem Mantel umschlossen, in dem sich eine Temperierflüssigkeit befindet. Das Temperiersystem ist über vorbereitete Anschlüsse mit dem Reaktormantel verbunden. Bei der Reaktortemperierung pumpt das Temperiersystem permanent die Temperierflüssigkeit durch den Mantel des Reaktors. Plötzliche Temperaturveränderungen im Reaktorinneren werden durch schnelles Aufheizen oder Abkühlen der Temperierflüssigkeit dynamisch ausgeglichen. Das Aufheizen oder die Abkühlung der Temperierflüssigkeit findet innerhalb des Temperiersystems statt.

Prozesssicherheit

Bei der hochdynamischen Temperierung von Reaktoren werden die Temperierergebnisse allein schon durch die Materialart und die Konstruktion des Reaktors erheblich beeinflusst. Eine Glaswand liefert selbstredend einen anderen Wärmeübergang als eine Stahlwand. Aber auch die Oberfläche und die Wandstärke haben enormen Einfluss auf die Erreichung einer hohen Genauigkeit beim Temperierprozess. Sehr wichtig ist, dass der Anwender immer für eine gute Durchmischung des Temperiergutes im Reaktor sorgt. Damit ist eine gute Homogenität gesichert, die wiederum einen optimalen Wärmeaustausch gewährleistet.

Durch Vorgaben in der Druckgeräterichtlinie 97/23/EG und der Hersteller von Reaktoren gibt es für jeden Reaktortyp maximal zulässige Druckwerte. Die gewählte Temperierlösung darf diese Grenzwerte während des Betriebes keinesfalls überschreiten. Vor der Inbetriebnahme einer Temperierlösung müssen am Temperiergerät je nach eingesetztem Reaktor die entsprechenden Grenzwerte eingegeben werden. Ein weiteres reaktorspezifisches Kriterium ist die maximal zulässige Temperaturdifferenz (Delta-T-Limit). Diese Differenz beschreibt das Maximum zwischen der Vorlauftemperatur und der Temperatur des Reaktorinhaltes. Auch hier sind Glasreaktoren wesentlich sensibler als Stahlreaktoren. Am Temperiergerät sollten daher Möglichkeiten gegeben sein, reaktorabhängige Grenzwerte für Delta-T-Limit pro Zeiteinheit eingeben zu können. In einem Temperiersystem selbst haben folgende drei Komponenten erheblichen Einfluss auf die Prozesssicherheit:

  • Wärmetauscher,
  • Pumpe und
  • Regelelektronik.

Die Temperierlösung muss die erforderlichen Kälte- und Heizleistungen liefern können. Kälte- und Heizleistung haben großen Einfluss auf die Geschwindigkeit, mit der bestimmte Temperaturwerte erreicht werden. Für die Ermittlung der benötigten Leistung sind die Masse des Temperierguts, erforderliche Temperaturunterschiede, gewünschte Abkühloder Aufheizzeiten sowie die spezifische Wärmekapazität des Temperiermediums zu berücksichtigen.

Funktionalität und Effizienz

Hochdynamische Temperiersysteme sind als luft- oder wassergekühlte Geräte im Angebot. Luftgekühlte Geräte verbrauchen kein Wasser und sind daher unabhängig bei der Standortwahl. Diese Geräte nutzen für den Wärmeaustausch die Umgebungsluft. Wassergekühlte Geräte müssen an eine vorhandene Kühlwasserleitung angeschlossen werden, arbeiten dafür leiser. Je nach Beschaffenheit des Temperiersystems, können wassergekühlte Systeme in einer Anlage komplett umgebaut werden. Die im Temperiersystem integrierte Pumpe muss leistungsstark ausgelegt sein, um hohe Durchflussraten bei gleichbleibendem Druck zu erzielen. Die Pumpe sollte den erforderlichen Druck schnell und unter ständiger Kontrolle aufbauen, um die bereits erwähnten Druckgrenzwerte des Reaktors nicht zu übersteigen. Die Einstellung der Pumpenleistung sollte entweder über Stufen oder über einen vorgegebenen Druckwert möglich sein, wobei immer die Druckwerte und Betriebsbedingungen des Reaktors zu beachten sind. Spezielle Temperiersysteme haben Pumpen, die Viskositätsänderungen im Temperiermedium selbsttätig dynamisch ausgleichen und damit eine stetige Aufrechterhaltung der Energieeffizienz sicherstellen. Denn die Viskosität ändert den Durchfluss und damit auch die Energieübertragung. Einen zusätzlichen Vorteil bieten magnetgekoppelte Pumpen, denn sie gewährleisten einen hydraulisch dichten Kühlkreislauf. Einen weiteren Nutzwert bietet die Pumpe, wenn sie selbstschmierend und somit quasi wartungsfrei arbeitet.

Der Temperierkreislauf muss als geschlossener Kreislauf ausgelegt sein, damit die Temperierflüssigkeit keinen Kontakt zur Umgebungsluft bekommt. Das vermeidet Feuchteeintrag, Oxidation und verhindert den Austritt von Öldämpfen in die Arbeitsumgebung. Temperaturbedingte Volumenänderungen im Wärmetauscher müssen durch ein Expansionsgefäß permanent aufgefangen werden. Geräteinterne Expansionsgefäße müssen also ausreichend groß dimensioniert sein. Zusätzlich sollte eine separate Kühlung des Expansionsgefäßes dafür sorgen, dass sich das Temperiergerät selbst nicht zu stark erhitzt und somit keine Verletzungsgefahren für den Anwender bestehen.

Robustheit

Ein Temperiersystem sollte robust beschaffen sein und auch bei erhöhten Raumtemperaturen zuverlässig arbeiten. Oftmals zeigt sich, dass das Idealbild von 20 °C Umgebungstemperatur nicht die reellen Arbeitsbedingungen darstellt. Schon der Einsatz in einer Miniplant-Anlage stellt das System vor höhere Anforderungen. Auch während der heißen Sommermonate sind Temperiersysteme äußerst kritischen Situationen ausgesetzt. Ausgelöst durch Energiesparmaßnahmen ist in den Labors generell mit höheren Raumtemperaturen zu rechnen. Diese Beispiele verdeutlichen den Vorteil von Temperiersystemen, die auch bei einer Umgebungstemperatur von über 35 °C immer noch zuverlässig ihre Arbeit verrichten.

Elektronik

Beim Temperierprozess kommt es auf eine präzise Temperaturregelung an. Eine ausgeklügelte Regelelektronik im Temperiersystem sollte permanent den Prozess im Reaktor und die internen Prozesse überwachen und kontrollieren, um bei Veränderungen der Regelgröße diese schnell wieder an den Sollwert nachzuführen – und das möglichst überschwingungsfrei. Eine präzise Regelelektronik ist eine wichtige Voraussetzung für hohe Konstanz in der Temperieranwendung.

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* *T. Pohl: Julabo GmbH, 77960 Seelbach

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