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Reaktionstechnik

Von Batch zu Konti – Strömungschemische Verfahren auf dem Vormarsch

| Autor/ Redakteur: Tobias Bauer / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Die Umstellung von Batch-Verfahren auf kontinuierliche Verfahren kann erhebliche Kostenvorteile bei der Herstellung von Spezialchemikalien und pharmazeutischen Produkten bringen. Von zunehmender Bedeutung dabei sind einfache und leicht skalierbare Minifestbett- und Mikrostruktur-Reaktoren.

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Abb. 3: Werkzeuge zur Effizienzsteigerung von chemischen Reaktionsprozessen. (Bild: AG Chemische Reaktionstechnik/TU Dresden)
Abb. 3: Werkzeuge zur Effizienzsteigerung von chemischen Reaktionsprozessen. (Bild: AG Chemische Reaktionstechnik/TU Dresden)

Die Synthese komplexer Moleküle basiert im Wesentlichen auf diskontinuierlichen Produktionsverfahren in Rührkesselreaktoren. Die Qualität der chemischen Umsetzung wird durch die Reaktionsbedingungen, die Reaktionszeit, die Vermischung und den Stoff- und Wärmetransport beeinflusst. Bei katalytischen Reaktionen spielt die Art des eingesetzten Katalysators eine wichtige Rolle. Die Produktivität von Batch-Verfahren wird durch die auftretenden Totzeiten für das Befüllen, Entleeren und Temperieren deutlich begrenzt. Im großtechnischen Maßstab sind vor allem stark exotherme Reaktionen problematisch, die eine Verdünnung der Reaktionsmasse oder eine langsame Zudosierung von Reaktanden erfordern. Das Reaktionsvolumen von Batch-Reaktoren ist gegenüber Konti-Reaktoren deutlich größer und hinsichtlich des Gefährdungspotenzials ungünstiger. Die Entwicklung von neuen Batch-Verfahren ist im Labormaßstab zeitlich und personell aufwändig. Häufig richtet sich der angewendete Syntheseweg nach den vorhandenen Apparaten und nicht nach einer optimalen Reaktionsführung.

Für die Aufrechterhaltung der Wettbewerbsfähigkeit sind neue Produktionsverfahren notwendig, die zu erheblichen Kostenvorteilen führen. In der Roadmap Chemische Reaktionstechnik (1. Auflage, 2010) sind zahlreiche neue Methoden für die Erreichung der Zielstellung diskutiert. Eine zusammenfassende Übersicht ist in Abbildung 3 dargestellt. Die Miniaturisierung von Reaktionsräumen in Verbindung mit kontinuierlichen Verfahren hat das größte Potenzial. Zahlreiche Forschungsarbeiten und Anwendungsbeispiele aus der Industrie belegen die Vorteile von miniaturisierten Reaktoren.

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Eine wichtige Triebkraft ist die Verkürzung von Entwicklungszeiten für die Herstellung neuer Produkte vom Gramm-Maßstab in den Kilogramm- oder Tonnenmaßstab. Gleichzeitig bewirkt eine Reduzierung der Apparategröße das Absenken von Investitionskosten und verringert das Gefährdungspotenzial.

Im Trend: Miniaturisierte Strömungsreaktoren

Miniaturisierte Strömungsreaktoren für kontinuierliche Verfahren zeichnen sich durch eine sehr enge Verweilzeitverteilung, extrem gute Vermischung der Fluide auf Makro- und Mikroebene und hohe Stoff- und Wärmetransportraten aus. Folglich steigen die Produktqualität und die Raum-Zeit-Ausbeute gegenüber Batch-Reaktoren deutlich. Ein weiterer Vorteil entsteht durch die Möglichkeit, die Reaktionsbedingungen im Betrieb zu ändern und zu optimieren. Sehr schnelle und stark exotherme Reaktionen können bei einem konstanten Temperaturniveau mit vergleichsweise hohen Eintrittskonzentrationen betrieben werden. Homogene Reaktionen in der Flüssigphase werden hauptsächlich durch Kombination einer komplexen Mischeinheit und einer anschließenden Verweilzeitstrecke realisiert. Entlang des Misch- und Reaktionswegs kann die Temperatur konstant gehalten werden. Zellen mit Mischeinheiten und Verweilzeitstrecken können darüber hinaus zu modularen Systemen aufgebaut werden. Heterogene Reaktionen in der Flüssigphase können mit wandbeschichteten Mikrostrukturreaktoren oder in so genannten Mini- und Mikrofestbettreaktoren durchgeführt werden. In den Mini- und Mikrofestbetten werden pulverförmige Katalysatoren oder Formkörper verwendet.

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