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Termperiersysteme Temperierlösungen für die chemische Reaktionstechnik

Autor / Redakteur: Michael Sauer* / Marc Platthaus

Eine möglichst genaue Temperaturführung hat in der chemischen Reaktions-technik maßgeblichen Einfluss auf die Produktionsleistung oder dasForschungsergebnis. Wichtig ist hier, das Termperiersystem auf die Reaktorgröße abzustimmen.

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Abb. 2: Das Unistat-Temperiersystem wird zusammen mit einem externen Wärmetauscher (Bild rechts) an den Reaktormantel angeschlossen.
Abb. 2: Das Unistat-Temperiersystem wird zusammen mit einem externen Wärmetauscher (Bild rechts) an den Reaktormantel angeschlossen.
(Bild: Peter Huber Kältemaschinenbau)

Bei Produktionsprozessen mit chemischen Reaktionsvorgängen steht eine hohe Selektivität zugunsten des Zielsubstrates in der Regel weit oben auf der Wunschliste. Da sich niedrige Temperaturen meist positiv auf die Selektivität auswirken, werden heute zunehmend Tieftemperaturreaktionen angestrebt. Gleichzeitig ist der Reaktionsverlauf bei tiefen Temperaturen aber meistens vergleichsweise langsam, was wiederum zu längeren Produktionszeiten führt. Für die Verfahrenstechniker gilt es deshalb, einen bestmöglichen Kompromiss zwischen Ausbeute, Qualität und Produktivität zu finden. Unabhängig vom eingesetzten Reaktorsystem spielt die richtige Temperatur dabei eine entscheidende Rolle und entsprechend wichtig ist die Auswahl einer geeigneten Heiz- und Kühllösung. Die Temperiersysteme der Unistat-Reihe gelten aufgrund ihrer thermodynamischen Eigenschaften als technologisch führend. Bereits 1988 wurden die ersten Modelle für Anwendungen in der Prozess- und Verfahrenstechnik entwickelt. Gemeinsam mit Verfahrensingenieuren aus Chemie- und Pharmaunternehmen wurden die Geräte seitdem kontinuierlich weiterentwickelt und an die aktuellen Anforderungen angepasst. Und nicht zuletzt haben zahlreiche Fallstudien, welche gemeinsam mit den Herstellern von Reaktorsystemen entstanden sind, zu einer perfekten Abstimmung beigetragen. Unistate sind deshalb prädestiniert für die Temperierung von Chemie- und Bioreaktoren, Autoklaven, Miniplant und Pilotanlagen, Reaktionsblöcken, Kalorimetern und Destillationsanlagen.

Bei diesen Anwendungen überzeugen die Geräte mit einer hervorragenden Thermodynamik selbst bei schwierigen oder stark schwankenden Anlagenbedingungen. In der Praxis bieten Unistate konkrete Vorteile für die Arbeit: kurze Aufheiz- und Abkühlzeiten, große Temperaturbereiche ohne Flüssigkeitswechsel, exakte Temperaturen sowie eine hohe Stabilität und Reproduzierbarkeit im gesamten Temperierprozess und mehr Sicherheit für teure Glasreaktoren und die darin enthaltenen Substanzen.

Praxisorientierte Ausstattung

Neben den grundlegenden Leistungsdaten wie Kälte-, Heiz- und Pumpenleistung spielen in der Praxis oftmals die sekundären Eigenschaften eine entscheidende Rolle. So sind beispielsweise hohe Heiz- und Kälteleistungen wertlos, wenn die nur mäßige Förderleistung der Umwälzpumpe eine optimale Wärmeübertragung verhindert. Das Gesamtkonzept der Unistate berücksichtigt derartige Aspekte und sorgt für einen zuverlässigen Dauerbetrieb mit präzisen und reproduzierbaren Ergebnissen. Erfahrene Anwender schätzen die zahlreichen Funktionen und Einstellmöglichkeiten der Huber-Systeme, welche eine sehr feine Abstimmung auf die jeweilige Anwendung zulassen. Zu diesen Funktionen gehört die intelligente TAC-Temperaturreglung, welche die Regelstrecke kontinuierlich analysiert und die Parameter automatisch anpasst – das bedeutet beste Ergebnisse mit minimalem Aufwand für den Anwender.

Ein weiteres Ausstattungsdetail, das die Arbeit mit Unistaten komfortabel macht, ist das farbige Touchscreen-Display. Die Anzeige ist individuell konfigurierbar und stellt alle wichtigen Parameter wie Soll- , Ist- und Grenzwerte übersichtlich dar. Temperaturverläufe können grafisch als Kurven angezeigt werden und die Einheit ist von Celsius auf Fahrenheit umschaltbar.

Das Unistat-Funktionsprinzip

Konventionelle Umwälzthermostate arbeiten hydraulisch mit offenem Bad. Das Unistat-Prinzip hingegen verzichtet auf ein internes Temperierbad. Unistate besitzen, anstelle des integrierten Temperierbades, lediglich ein Ausdehnungsgefäß für die thermisch bedingte Volumenänderung. Dieses Prinzip verringert die zu temperierenden Massen und erhöht die Temperaturänderungsgeschwindigkeiten. Unistate erreichen mit dieser Technik Abkühlgeschwindigkeiten von mehreren hundert Kelvin pro Stunde. Nicht zuletzt deshalb, haben sich Unistate bei der Reaktortemperierung etabliert. Für einen Vergleich der Dynamik eignet sich ein Blick auf die Kälteleistungsdichte (Watt/Liter) nach DIN 12876. Bei Applikationen mit kontinuierlich verändernden Reaktionsmassen sind Prozesssicherheit, präzise Temperaturkontrolle und Prozessstabilität entscheidende Faktoren für das gewünschte Temperierergebnis. Entstehen endotherme oder exotherme Reaktionen, ist die Dynamik des Temperiersystems maßgeblich für die Sicherheit verantwortlich. Eine genaue Temperaturregelung, ohne Über- oder Unterschwingen, verhilft zu höheren Reinheitsgraden und höherer Ausbringungsmenge.

Eine weitere Schlüsselfunktion hat die Wärmeübertragung. Um optimale Werte zu erzielen, generieren die Umwälzpumpen der Unistate hohe Durchflussmengen bei niedrigem Pumpendruck. So kann die Wärme- und Kälteenergie effektiv vom Temperiersystem zur Anwendung transportiert werden. Damit sind schnelle Rampensprünge möglich. Die adaptive TAC-Regeltechnik gestattet außerdem eine hochgenaue Regelung für eine Vielzahl unterschiedlicher Applikationen – ein Vorteil bei häufig wechselnden Anwendungen. Neben der Temperatur überwacht TAC auch den Druck der Applikation und regelt die Pumpenleistung auch bei stark schwankenden Bedingungen.

Bei sehr hohem Leistungsbedarf oder zur Umsetzung von kundenspezifischen Anforderungen, bietet Huber angepasste Temperierlösungen in Form eines individuellen Kälteanlagenbau. Die neue Unistat-Hybrid-Technologie erweitert die Anwendungsmöglichkeiten auf großvolumige Reaktionsgefäße. Realisierbar ist die Temperierung von Reaktoren mit Füllvolumen von 10 000 Litern und mehr. Unistat-Hybrid kombiniert dazu die Regelgenauigkeit der Unistate mit der Power von zusätzlichen Energiequellen wie Dampf, Kühlwasser oder flüssigem Stickstoff. Unistat-Hybrid nutzt also die bereits vorhandenen Ressourcen eines Produktionsgebäudes und sorgt für eine optimale Prozesskontrolle. Durch die hybride Anbindung eines Unistaten lassen sich vorhandene Heiz- und Kühleinrichtungen kostengünstig modernisieren und optimieren. Das Unistat-System übernimmt dabei die gesamte Temperaturregelung und steuert das Zusammenspiel der einzelnen Energiequellen. In der Praxis bedeutet das ein schnelles Aufheizen von großvolumigen Reaktoren mit heißem Wasserdampf bzw. ein rasches Abkühlen mit flüssigem Stickstoff oder Kühlwasser. Der Unistat sorgt dabei für eine exakt dosierte Energiezufuhr und übernimmt anschließend die präzise Feinregelung. Die Vorteile dieser Technik sind eine hohe Regelgenauigkeit, erweiterte Temperaturbereiche, mehr Heiz- und Kühlleistung und eine zuverlässige Kompensation von thermischen Reaktionen. Mit der Integration eines Unistat-Hybrid-Systems werden die Prozessbedingungen einer Anlage in vielen Fällen verbessert und dadurch die Produktionsleistung gesteigert.

Das Whitepaper finden Sie hier.

* M. Sauer: Peter Huber Kältemaschinenbau GmbH, 77656 Offenburg

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