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Konstantes Verhältnis

Erfolgreiches Scale-up mit dem Mischer-Wärmeübertrager
Konstantes Verhältnis

Der Mischer-Wärmeübertrager von Fluitec eignet sich sowohl für chemische Reaktionen mit Wärmetönung als auch für Temperiervorgänge (Erwärmung oder Kühlung) von mittel- bis hochviskosen Flüssigkeiten. Mit der jetzt vorgestellten vierten Generation erreicht der Apparat erstmals eine Mischleistung, die mit den leistungsfähigsten statischen Mischern vergleichbar ist. Als entscheidendes Scale-up-Kriterium vermag der Mischer-Wärmeübertrager dabei sein Oberflächen/Volumenverhältnis konstant zu halten. Dies eröffnet neue Perspektiven für den Mischer-Reaktor-Einsatz in der kontinuierlichen Reaktions- und Polymerisationstechnik.

Daniel Altenburger, Alain Georg

Der Mischer-Wärmeübertrager von Fluitec wird nicht nur für den Wärmetransport, sondern auch als kontinuierlich betriebener Reaktor eingesetzt. Der Rohrbündelapparat ist im Mantelraum mit statischen Mischelementen anstelle von klassischen Umlenkblechen bestückt. Dadurch ist eine hohe radiale Mischleistung möglich, ohne dass der Produktstrom in Parallelströme aufgeteilt wird. Dies erlaubt eine homogene Wärmeübertragung und vermeidet Verstopfungen in einzelnen Rohren, die bei herkömmlichen Rohrbündelwärmeübertragern durch Viskositätsänderungen verursacht werden können. Doch nicht nur für die Wärmeübertragung, sondern vor allem für den Reaktorbetrieb ist es notwendig, dass Wärme- und Stoffaustausch auf einer möglichst kompakten Strecke stattfinden, denn so lassen sich einerseits große Temperaturgradienten vermeiden, andererseits werden Rückreaktionen und unerwünschte Nebenprodukte durch homogene Konzentrationsprofile vermieden.
Mit der vierten Generation des Mischer-Wärmeübertragers (Bild 1) erreicht der Apparat bei einem Scale-up erstmals ein konstantes Oberflächen/Volumenverhältnis über einen großen Bereich des spezifischen Volumens. Bild 2 zeigt drei mögliche Maßstabvergrößerungen bei verschiedenen spezifischen Oberflächen/Volumenverhältnissen:
  • Scale-up 1 bei einem Oberflächen/Volumenverhältnis von 370 bis 400 m2/m3
  • Scale-up 2 bei einem Oberflächen/Volumenverhältnis von 250 bis 280 m2/m3
  • Scale-up 3 bei einem Oberflächen/Volumenverhältnis von 130 bis 150 m2/m3
Bei der Scale-up-Planung einer Produktionsanlage ist zu beachten, dass bei einer geometrischen Ähnlichkeit der Wärmeübertrager das spezifische Oberflächen/Volumenverhältnis nicht konstant gehalten werden kann. Es ist deshalb vorteilhaft, bereits bei der Pilotierung ein sinnvolles Oberflächen/Volumenverhältnis festzulegen. Ansonsten ist der Scale-up von Beginn an gefährdet.
Mit dem Mischer-Wärmeübertrager von Fluitec sind bei kleinen Nennweiten spezifische Oberflächen/Volumenverhältnisse von >1000 m2/m3 denkbar. Eine weitere Maßstab-Vergrößerung ist derzeit nicht möglich. Kleine Mischer-Wärmeübertrager mit einem spezifischen Oberflächen/Volumenverhältnis von > 1000 m2/m3 eignen sich also nur für einen Scale-up bei Mikroreaktoren.
Mischergeometrie frei wählbar
Um ein Scale-up sicherstellen zu können, sind folgende Kriterien zu erfüllen:
  • der k-Wert der Wärmetauscher darf nicht abnehmen, er sollte wenn möglich einstellbar sein
  • die hohe Mischleistung sollte stets sichergestellt werden und wenn möglich einstellbar sein
Diese Kriterien kann der Mischer-Wärmeübertrager von Fluitec erfüllen, denn die Mischergeometrie lässt sich bei der vierten Generation frei wählen. Als Basis dient jeweils die klassische X-Mischer-Struktur. Steganzahl, Stegabstand und das L/D-Verhältnis der Mischelemente sind an die verfahrenstechnische Aufgabe anpassbar. Bild 3 zeigt eine optimierte Geometrie, die einen sehr hohen k-Wert im laminaren Strömungsbereich erzeugen kann. Solche Geometrien werden vorab mithilfe moderner Computertechnologie simuliert. Dies ermöglicht es, zahlreiche Alternativen detailliert zu untersuchen, ohne dass große Investitionen anfallen.
Sind die Resultate vielversprechend, werden trotzdem Modelle gefertigt, um zusätzliche Strömungseffekte, insbesondere Sharkskin-, Randzonen- und Break-Point-Effekte untersuchen zu können. Denn ein produktbedingter Aufbaueffekt an den Wärmeübertragungsrohren verschlechtert den Wärmeübergang und verringert die Leistung des Wärmeübertragers massiv. Bei Flüssigkeiten mit großen Viskositätsunterschieden oder bei Gemischen ist ein Versuch im kleinen Massstab daher immer sinnvoll. Der Mischer-Wärmeübertrager zeichnet sich durch folgende konstruktiven Merkmale aus:
  • die Mischer-Wärmeübertragerfläche ist als Paket ausbaubar
  • die gesamte Oberfläche kann kontrolliert, gereinigt und auch sterilisiert werden
  • der Mischer-Wärmeübertrager-Querschnitt ist in der Hauptströmungsrichtung geometrisch überall definiert und reduziert die Maldistribution auf ein Minimum, sodass stets eine enge Verweilzeitverteilung gewährleistet ist
  • durch die hohe volumenspezifische Wärmeübertragungsfläche ist der Mischer-Wärmeübertrager für hochviskose Flüssigkeiten und temperatursensitive Medien besonders geeignet
Gegenstrom oder Gleichstrom?
Die relative Strömung in einem Wärmeübertrager kann nach dem Gleichstromprinzip, dem Gegenstromprinzip oder einer Kombination aus beiden erfolgen. Beim Gleichstrom kann die Austrittstemperatur des Kühlmediums niemals höher als die Austrittstemperatur des abzukühlenden Stromes sein. Bei Anwendung des Gegenstroms ist dies jedoch anders. Die Austrittstemperatur des Kühlmediums kann sich sogar der Eintrittstemperatur des heißen Stromes annähern. Thermodynamisch lässt sich nachweisen, dass ein Wärmetauscher mit Gegenstrom die effizienteste Wärmeübertragung liefert. Das Gleichstromprinzip eignet sich jedoch besonders für kontinuierliche Reaktionen, da die Wärmeproduktionsrate am Beginn sehr hoch sein kann und danach stetig abnimmt.
Standzeiten massiv verbessert
Der Mischer-Wärmeübertrager zeichnet sich durch ein sehr gutes Verweilzeitverhalten aus. Erfahrungen aus der Praxis zeigen, dass er – abhängig von der Flüssigkeit – nach zwei- bis vierfach gespültem Volumen perfekt sauber ist. In der Reaktionstechnik sind Bodenstein-Zahlen je nach Baulänge von bis zu Bo = 400 erreichbar, was annähernd einer idealen Kolbenströmung entspricht.
Trotzdem ist es möglich, dass Prozessströme Ablagerungen an den Oberflächen des Wärmetauschers hinterlassen, die die Effizienz der Wärmeübertragung einschränken und ein erfolgreiches Scale-up verhindern können. Die Zusammensetzung des Mediums, die Strömungsgeschwindigkeit und die Wandtemperatur sind die wichtigsten Variablen, die Auswirkungen auf Foulingraten haben. Die Hauptgründe für eine Verschmutzung im Innern eines Wärmetauschers sind Wasserströme (HTM), die harte kristalline Ablagerungen bilden, oder Medien mit organischen Bestandteilen (Produkt), die klebrige Schichten auf den Oberflächen im Inneren des Wärmetauschers bilden können.
Bei Wärmeübertragern für die laminaren Strömungsbereiche ist die turbulente Wasserseite meist unkritisch, da die alpha-Werte in der Regel nicht limitierend wirken. Es sind eher die klebrigen und anhaftenden Schichten auf den Oberflächen, die den Wärmeübergang massiv blockieren können. Zur Entfernung solcher Ablagerungen war es normalerweise erforderlich, den Wärmetauscher von Zeit zu Zeit stillzulegen und zu reinigen, da die Schichten mit der Zeit vernetzen oder vercracken können.
Diesem Umstand wirkt der X-Scratch-Wärmetauscher entgegen. Das Register mit den Mischelementen eines herkömmlichen Mischer-Wärmeübertragers wird hin- und her bewegt. So erfolgt mechanisch ein reinigender Effekt an den Oberflächen der Wärmeübertragungsrohre, der X-Scratch-Effekt. Durch die axiale, oszillierende Bewegung lässt sich eine Abschaltung der Anlage verhindern oder zumindest deutlich verzögern.
cav 423

cav: Auf der Anuga FoodTec in Köln und der Achema in Frankfurt präsentieren Sie erstmals die vierte Generation Ihres Mischer-Wärmeübertragers. Können Sie kurz die wesentlichen Merkmale dieses Produktes zusammenfassen?
Georg: Mit der neu patentierten vierten Generation haben wir einen Mischer-Wärmetauscher mit konstantem Oberflächen/Volumenverhältnis entwickelt. Zusätzlich lassen sich mit den Steglagen die Mischgüte und der Wärmeübergang (k-Wert) einstellen. Dies erfüllt den Traum eines jeden Reaktionstechnikers. Es wird möglich, fast jedes Scale-up durchzuführen. Die Wärmetauscher bleiben kurz und kompakt und sind bei fast allen Platzverhältnissen installierbar.
cav: Welche Veränderungen haben Sie gegenüber der dritten Generation dieses Apparates vorgenommen?
Georg: Vereinfacht gesagt haben wir die Steglagen und die Rohranzahl zusätzlich erhöht, wobei die geometrischen Verhältnisse zwischen Durchmesser, Rohrdurchmesser, Blechdicke und Stegabstand in gewissen Grenzen liegen müssen. Das Einstellen dieser Parameter erlaubt die Konstruktion eines geometrisch beliebigen Mischer-Wärmetauschers.
cav: Gibt es bereits erste Einsatzerfahr- ungen, die die Leistungsfähigkeit des Mischer-Wärmetauschers unterstreichen?
Georg: Die Geräte wurden mit CFD-Simulationen und in Laborversuchen untersucht. Es hat sich gezeigt, dass sich der Wärmeübergang wirklich einstellen lässt. Industriell sind die Geräte für viskose Lebensmittel, für die Reaktionstechnik und bei der Verarbeitung von Kunststoffen im Einsatz. Weitere Anwendungen sind die Massenpolymerisation, die Polykondensation, das Entgasen von viskosen Fluiden sowie das Kühlen und Erwärmen von hochviskosen Flüssigkeiten (Bereich 50 mPas bis 5 000 000 mPas). Da das Produkt nicht in Teilströme aufgeteilt wird und auch keine Totzonen vorhanden sind, ist eine reproduzierbare CIP-Reinigungsfähigkeit auch bei schwierigen Aufgaben garantiert.
cav: Können wir weitere Innovationen von Fluitec auf der Achema erwarten?
Georg: Eine Entwicklung sind beispielsweise neuartige Gasmischer, insbesondere für den Einsatz bei DeNOx-Anlagen. Diese Systeme können bei geringsten Druckverlusten < 2 mbar auf kürzester Mischlänge die notwendige Homogenität sicherstellen. Eine weitere Entwicklung ist ein Baukastensystem für die kontinuierliche chemische Reaktionstechnik im Labor- und Pilotmaßstab. Zusammen mit der vierten Mischer-Wärmetauscher-Generation ergibt sich hierdurch eine fast uneingeschränkte Scale-up-Fähigkeit von reaktiven Prozessen.

Fluitec auf der Anuga FoodTec
Fluitec auf der Achema
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