Für viskose Medien

Dipl.-Ing. ETH Stefano Guariento

Die Strömung einer viskosen Flüssigkeit in einem Lehrrohr ist laminar, das Geschwindigkeitsprofil über dem Rohrquerschnitt parabolisch, die Verweilzeitverteilung breit, und bei Wärmeübertragung tritt ein radiales Temperaturprofil auf. Aus all diesen Effekten resultiert ein schlechter Wärmeübergang. Der Einbau von statischen Mischelementen im Rohr bewirkt eine radiale Durchmischung, die Grenzschicht in der Nähe der Rohrwand wird kontinuierlich erneuert und die Wärmeübertragung mehrfach verbessert. Der SMR hat eine vergleichbare Geometrie zum statischen Mischer SMX. Im SMR sind die Stege des SMX-Mischelementes durch Rohre ersetzt, durch die der Wärmeträger fließt. Die Rohre bilden deshalb gleichzeitig eine effiziente Mischstruktur und verfügen über eine beachtliche Wärmeübertragungsoberfläche von 30 bis 150 m2/m3. Die radiale Mischaktion, ohne Aufteilung des Produktstromes in Parallelströme, erlaubt eine sehr homogene Wärmeübertragung und vermeidet Maldistributionseffekte (Verstopfung von einzelnen Rohren), die in Rohrbündelwärmeaustauschern durch Vikositätsänderungen verursacht werden können.

Die geometrische Struktur dieses patentierten Mischer-Wärmeaustauschers erlaubt es, einen einfachen Scale-up durchzuführen. Die bis heute gefertigten Apparate haben Durchmesser von DN 80 bis 1500.

Der SMR wurde mit der Zielsetzung entwickelt, einen Reaktor zu haben, der eine große Wärmemenge abführt und gleichzeitig das Reaktionsmaterial kontinuierlich mischt.

Damit lassen sich Temperatur- und Konzentrationsgradienten vermeiden, die die Reaktion negativ beeinflussen könnten. Erstes Anwendungsgebiet des zunächst entstandenen Kolbenströmungsreaktors (Plug-flow-Reaktor) war die Polymerisation von Styrol zu kristallklarem und schlagzähem Polystyrol. Er wurde weltweit in mehr als 10 Polystyrolanlagen eingesetzt. Die Vorzüge des SMR gegenüber konventionellen Kolbenströmungsreaktoren mit mechanisch angetriebenen Vorschubsystemen bestehen darin, daß der SMR keine rotierenden Teile aufweist, das Produkt schonend behandelt wird (niedrige Scherkräfte) und man thermoplastische Polymere ohne Demontage des Reaktors wieder aufschmelzen kann. Für diese Anwendung werden große SMR mit Durchmessern bis zu DN 1500 und Totalvolumen von 20 m3 und mehr eingesetzt.

Im Lebensmittelbereich wird der SMR dazu verwendet, um beispielsweise im kontinuierlichen Herstellungsverfahren Nahrungsmittel, hauptsächlich aus der Süßwaren- und milchverarbeitenden Industrie, zu kühlen oder aufzuheizen. Die wichtigsten Charakteristiken dieses Apparats sind Modularität, Kompaktheit, CIP-Reinigungsfähigkeit und Homogenisierfähigkeit. Der gleichzeitig zum Wärmeaustausch dienende Mischvorgang bewirkt auch hier eine Verbesserung der Produktqualität. Der SMR ist aus technischer Sicht ganz klar zwischen dem Plattenwärmeaustauscher und dem Kratzkühler anzusiedeln. Vorteile gegenüber dem Plattenwärmeaustauscher sind vor allem das Fehlen von Totzonen, die besondere In-line-Reinigungsfähigkeit und die Möglichkeit zur Verarbeitung von hochviskosen Produkten. Auch einige Nachteile des Kratzkühlers, wie Abdichtungs- und Verschleißprobleme aufgrund von sich drehenden Apparateteilen, hohe Scherraten und Wärmeentwicklung durch Reibung, die sich vor allem beim Kühlen negativ auf die Produktequalität auswirken, sind vermeidbar. Nicht empfehlenswert dagegen ist der Einsatz eines SMR, wenn das Produkt bei den normalen Prozeßbedingungen kristallisiert oder gefriert.

Die meisten Anwendungen, bei denen der SMR zum Einsatz kommt, sind kühlungs- oder temperaturkontrollierte Verfahrensschritte mit hohem Risiko zur Maldistribution bei viskosen Medien. Generell kann man sagen: je höher die Viskosität eines Produktes (vorausgesetzt daß es noch fließfähig ist), desto besser eignet sich dieser statische Mischer-Wärmeaustauscher.

Weitere Informationen dei 239