Temperiertechnik bei Reaktoren So legen Sie Reaktoranwendungen richtig aus

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Peter Huber Kältemaschinenbau AG

Eine hochgenaue Temperaturregelung hat einen bedeutenden Einfluss auf die Leistung und die Qualität in der chemischen Verfahrenstechnik. Die Temperiersysteme der Unistat-Reihe gewährleisten exakte Temperaturen und stabile Prozessbedingungen in Forschungslabors, Pilotanlagen und Kilolabors.

Wenn es um chemische Reaktionen in Prozessen geht, ist die korrekte Temperatur ein entscheidender Faktor. Daher benötigen chemische Prozesse ein geeignetes und zuverlässiges Heiz-/Kühlsystem. Für Verfahrenstechniker ist es von entscheidender Bedeutung, den bestmöglichen Kompromiss zwischen Ausbeute, Qualität, Produktivität und Sicherheit zu finden.

Im Laufe der Jahre haben die Entwickler bei Peter Huber Kältemaschinenbau die Unistat-Reihe mit der Unterstützung von Verfahrenstechnikern aus der chemischen und pharmazeutischen Industrie weiterentwickelt und verfeinert. Unistate sind für die Temperatursteuerung von chemischen und Bioreaktoren, Autoklaven, Reaktionsblöcken und Kalorimetern in Mini-, Pilot- und Destillationsanlagen ausgelegt. Zur Demonstration der Leistungen der Unistat-Reihe wurden über 200 Fallstudien durchgeführt.

Diese zeigen die einzigartige Fähigkeit der Unistate, sich an Prozessanforderungen anzupassen, indem sie eine hohe Stabilität und eine präzise Steuerung bieten: Zum Verständnis ist es wichtig, die Energiebilanz eines Reaktorsystem genau zu betrachten.

Energiebilanz eines Reaktorsystems

Bei einer chemischen Umwandlung A+B=>C muss die Energiebilanz des Systems betrachtet werden. Die Zugabe der Reagenzien A und B kann die Zugabe oder Abführung von Wärmeenergie während des chemischen Prozesses erfordern, um eine sichere und reproduzierbare Abgabe der Komponente C sicherzustellen. Die Voraussetzungen dafür sind davon abhängig, ob es sich um eine exotherme Reaktion (Wärmeenergie wird an die Umgebung abgegeben) oder um eine endotherme Reaktion (Wärmeenergie wird aus der Umgebung aufgenommen) handelt.

Die Energiebilanz wird hier als Summe der Wärmeabgabe oder -zufuhr des Systems definiert, die gleich Null ist. Zur Aufrechterhaltung dieses Gleichgewicht, wird entweder Energie (Wärme) zugeführt, um die chemischen Reaktion (endotherm) anzutreiben oder Energie entzogen (Kühlung), um die chemische Reaktion (exotherm) auf sichere und kontrollierte Weise durchzuführen. Dies verhindert Nebenreaktionen und erhöht die Reaktionsausbeute. Zu viel Wärme kann zu inkorrekter Chiralität führen oder funktionelle Gruppen lösen.

Alle Reaktionen erfordern, dass die Moleküle A+B mit genügend potenzieller Energie zusammengeführt werden, um sich in ein Produkt C umzuwandeln. Eine endotherme Reaktion erfordert Wärme, um die Auslösung der Reaktion hervorzurufen, z. B. die Erwärmung einer Reaktionslösung bis zum Rückfluss. Das potenzielle Energieprofil einer endothermen Reaktion gibt an, dass die zur Produktbildung erforderliche Aktivierungsenergie größer ist als die bei der Produktbildung freigesetzte Energie. Daher wird ein Netto-Wärmegewinn benötigt.

Im Allgemeinen werden exotherme Reaktionen oft bis auf Temperaturen unter der Umgebungstemperatur auf bis zu –50 bis –78 °C gekühlt. In der Abbildung 1 ist ein 50-l-Reaktor zu sehen, der an einen Unistat 510w angeschlossen ist und bei dem die Reaktionsmedien auf –40 °C abgekühlt werden. Bemerkenswert ist, dass das Huber-Gerät in beiden Wärmebildaufnahmen thermisch inert ist und die erforderliche Erwärmung/Kühlung für die jeweilige Anwendung liefert.

Sicherheit des Prozesses

Für das Verständnis eines chemischen Prozesses ist die Reaktionskalorimetrie zu einem wichtigen Werkzeug zur Bestimmung der Reaktionskinetik und zur Optimierung bekannter Reaktionen (Dosierprofile, Prozess­temperaturen, etc.) geworden. Hierbei ist die wichtigste Eigenschaft die Bestimmung der Prozesssicherheit, insbesondere beim Scale-up des Prozesses für die Produktion.

Im Allgemeinen sollten Daten der Reaktionskalorimetrie verfügbar sein, bevor die Entwicklung eines chemischen Prozesses in einen größeren Maßstab (Kilo/Maßstab für Pilotanlagen) verlagert wird. Die erhaltenen Daten liefern das thermische und kinetische Profil der Reaktion, auf dem der Entwurf des Experiments im größeren Maßstab und damit die Produktionsprozesse aufbauen sollten, um den Prozess unter sicheren Bedingungen laufen zu lassen. In Szenarien zur Standardprozessentwicklung werden die reaktionskalorimetrischen Analysen während der Identifizierung von Synthesewegen und dann während der Optimierung des ausgewählten Weges durchgeführt. Die Reaktionskalorimetrie wird normalerweise von einem thermischen Screening (Bestimmung der thermischen Stabilität der Komponenten/ Produkte) begleitet, um den effizientesten und sichersten Prozess zu bestimmen. Allerdings ist die Temperatursteuerung des chemischen Prozesses lediglich Teil der benötigten Energiebilanz. Die thermischen Eigenschaften der für das Experiment verwendeten Ausrüstung müssen berücksichtigt werden, um eine präzise Temperaturregelung zu erreichen.

Für eine ganzheitliche Betrachtung müssen alle verwendeten Stoffe berücksichtigt werden, d. h. nicht nur der chemische Prozess, sondern auch die verschiedenen Materialien, die Teil des Systemaufbaus sind. Jeder einzelne Bestandteil absorbiert und emittiert die Wärme, die zu unterschiedlichen Geschwindigkeiten (Wärmekapazität) und in unterschiedlichen Massen aufgebracht wird.

Für einen Prozess, bei dem die Temperaturzugabe, die Temperaturabgabe und die Durchflussraten des Wärmeträgermediums unbekannt sind, kann man die Kälte- und Heizleistung mit der folgenden Gleichung berechnen: {[Masse der Materialien x Wärmekapazität] x Temp.-Unterschied Start zu Ende}/ benötigte Zeitspanne

Betrachtet man ein Reaktorsystem und Temperier­einheit (TCU, engl. thermal control unit), dann kann die Masse der Materialien auf drei Komponenten heruntergebrochen werden:

• Systemmasse: (kg*cp) System = die Summe der Stoffe (Gewicht nach Wärmekapazität) – Reaktorgewicht (einschließlich Deckel), Laufrad, Stromstörer, Temperatursensor, HTF-Schläuche/Rohre (grün in Abb. 3a)

• Masse des Thermofluids: (kg*cp) Thermofluids = die Summe der Stoffe (Gewicht nach Wärmekapazität) – Reaktormantel, Schläuche, Füllvolumen des Huber-Geräts (geschätzt auf Grundlage der Endtemperatur des Systems) (gelb in Abb. 3b)

• Masse des Reaktionsmedium: (kg*cp) Reaktionsmedium = die Summe der Schüttgüter (Gewicht nach Wärmekapazität) – Reaktorinhalt auf der Grundlage der Reaktionsmedien in loser Schüttung, unter der Annahme, dass der Reaktor seine volle Kapazität erreicht hat (rot in Abb. 3c)

Weitere Punkte fürs Scale-Up

Beim Scale-Up eines Prozesses sind zusätzlich zur Prozesskalorimetrie einige Faktoren zu beachten. Wenn eine Reaktion im Benchtop-Maßstab durchgeführt wird, sind folgende Punkte zu berücksichtigen:

• das Reaktorvolumen zu Mantelkapazitätsrate,

• Watt pro Liter im Bezug zum Thermofluid sowie die

• Durchflussrate des Thermofluids.

Indem sichergestellt wird, dass auf diese Werte zusätzlich zur Prozesskalorimetrie zugegriffen wird, kann gewährleistet werden, dass das Scale-up eines Prozesses den wahren Parametern des Prozesses im Labormaßstab entspricht.

Bei Anwendungen, bei denen Wärme zugeführt oder erzeugt wird, muss meistens Lösungsmitteldampf durch Rückfluss oder Destillation kondensieren. Wenn der Anwendung Wärme zugeführt werden muss, sollte die benötigte Kühlleistung nicht höher sein, es sei denn, die Anwendung ist bei erhöhten Temperaturen exotherm.

Außerdem muss der Wärmeverlust an die Umgebung durch den Luftstrom berücksichtigt werden. Man kann von einem Temperaturabfall während der Phasenübergänge von Flüssigkeit zu Gas bei der Verdampfung und von Gas zu Flüssigkeit bei der Kondensation ausgehen. Als Bespielapplikation wird ein Unistat 510w auf einem 50-l-Reaktor betrachtet, bei der der Anwendung maximal 6 kW Wärme zugeführt werden kann, um einen Rückfluss zu erreichen.

Wenn man dann von einem Energieverlust an die Atmosphäre ausgeht, erhält man 4 kW Heizleistung in der Gasphase und 2 kW bei der Kondensation von der Gas- in die Flüssigphasen im Kondensator. Daher würde bei einem 50-l-Reaktor mit einem 6 kW Wärmeaggregat mindestens ein 2 kW Umwälzkühler am Kondensator erforderlich sein. Es muss beachtet werden, dass bestimmte Reaktorhersteller die Kühlleistung ihrer Kondensatoren auf Basis der effektiven Kühlung auf der inneren Oberfläche bewerten.

Geschlossenes vs. offenes System

Abschließend stellt sich die Frage, ob bei der Anwendung ein offener Badumwälzer oder ein hydraulisch abgedichteter Umwälzer in Betracht gezogen werden sollte. Hierfür sind einige Faktoren zu berücksichtigen. Nach Berechnung der thermischen Belastungen kann man sich eventuell für eine der beiden Möglichkeiten entscheiden, jedoch sollte die Anwendung Ihre Anforderungen bestimmen. Man betrachtet zwei Arten der Anwendung: Erhöhte Temperaturen und Temperaturen unter dem Gefrierpunkt.

Bildergalerie

Offene Badesysteme (s. Abb. 4a und 4b) haben aufgrund ihres größeren Füllvolumens typischerweise ein niedrigeres Watt/Liter-Verhältnis. Sie weisen einen größeren Wärmeverlust durch die Deckelöffnung auf.

Bei erhöhter Temperatur können Thermofluide in die Atmosphäre ausgasen, da niedrig siedende Komponenten aus der Flüssigkeit heraussieden. Als Risiko besteht, dass das Anwendungsgebiet mit einer dünnen Thermofluid-Schicht über­zogen wird.

Geschlossene Systeme (s. Abb.5a und 5b) weisen normalerweise ein höheres Watt/Liter-Verhältnis auf. Sie sind hoch isoliert gegen den Wärmeverlust an die Atmosphäre.

Bei hohen Temperaturen wird der Flüssigkeitsüberschuss in ein thermisch inertes Ausdehnungsgefäß geleitet, wodurch Rauchentwicklung vermieden wird.

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