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Baukastensystem verkürzt Entwicklungszeiten

Mischer-Wärmetauscher-Rohrreaktoren
Baukastensystem verkürzt Entwicklungszeiten

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Fluitec hat im Rahmen des EU-Förderprojektes „F3 Factory“ das Contiplant-Baukastensystem entwickelt, das die Vorteile der flexiblen Batch-Reaktoren mit denen der kontinuierlichen Reaktionsführung verknüpft. Das modulare Plug-&-Play-Reaktorkonzept basiert auf kontinuierlich betriebenen Mischer-Wärmetauschern. Es erlaubt eine schnelle und sichere Ausarbeitung des Verfahrens für das Zielprodukt.

Die Überführung vom diskontinuierlichen Batch-Verfahren in eine kontinuierliche Reaktionsführung kann mit dem Fluitec-Contiplant-System leicht erprobt und wirtschaftlich bewertet werden. Häufig erkennt man dabei erhebliche wirtschaftliche Potenziale, die aus höherer Konzentration, besserer Temperaturführung und anderen Maßnahmen der Prozessintensivierung herrühren. Mit den standardisierten, funktionalen Baugruppen lässt sich zudem eine Zeitersparnis in der Verfahrensentwicklung erzielen. Mit den Produktserien ContiplantLab, ContiplantPilot und ContiplantModul kann mittlerweile der gesamte Syntheseworkflow vom Forschungslabor bis zum Produktionsmaßstab wirkungsvoll umgesetzt werden. Die Produktreihe von Millireaktoren ist für eine Vielzahl von exothermen Reaktionen geeignet. Durch eine enge Zusammenarbeit mit dem Betreiber in der Evaluationsphase, bei der die Produktqualität im kontinuierlichen Laborbetrieb untersucht wird. Durch unsere Unterstützung bei der Planung der zu skalierenden Produktionsanlagen können folgende Entwicklungszeiten erreicht werden:

  • Neuentwicklung eines Produktes (Anmeldung / Applikation / Pilotierung / Herstellung): 2 Jahre
  • Umrüstzeit eines Semi-Batch-Prozesses in einen kontinuierlichen Prozess: 1 Jahr
(davon wird das neue kontinuierliche Verfahren in 6 Monaten entwickelt).
Funktionale Baugruppen
Da kaum Normen und Vorschriften für kontinuierliche Reaktoren existieren, ist es sinnvoll, standardisierte, funktionale Baugruppen zu verwenden, die die Arbeit der Sicherheitsverantwortlichen erleichtern. Hierfür wurde aus aktuellen Vorschriften wie der TRAS 410, der Druckgeräterichtlinie, der Atex-Herstellerrichtlinie und zahlreichen Normen ein Handbuch für kontinuierliche Reaktionsprozesse entwickelt, das dem Betreiber die Planung der Anlage erleichtert und den Aufwand der Gefährdungsbeurteilung auf ein Minimum reduziert. Fluitec hat in Absprache mit dem TÜV Süd das kontinuierliche Verfahren mit Plug-flow-Reaktoren grundsätzlich in drei funktionale Baugruppen unterteilt. Dies ermöglicht es, die vier wichtigsten Schutzziele – Schutz vor Überfüllen und gegen Dosierfehler sowie Vermeidung von unzulässigen Temperaturen und Drücken – klar abzugrenzen, sodass der Aufbau der Anlage einfach und plausibel wird.
Plug flow bei kleinen Durchsätzen
Bei kleinen Volumenströmen eignen sich Leerrohre nur beschränkt als Plug-flow-Reaktoren, da diese auch bei wässrigen Systemen nur geringe Reynoldszahlen erzielen. So weist ein Leerrohr mit einem Innendurchmesser von 10 mm bei einem Volumenstrom von 50 l/h Wasser lediglich eine Reynoldszahl von 1768 auf. Dieser kleine Wert führt einerseits zu schlechten Plug-Flow-Eigenschaften, anderseits bricht der Wärmeübergang dramatisch ein, was bei exothermen Reaktionen sehr schnell zu einem Runaway-Szenario führen kann. Bei einer gewünschten Verweilzeit von beispielsweise 10 min müsste der Reaktor eine Länge von 107 m aufweisen. Um die Reynoldszahl zu erhöhen, könnte man alternativ ein Leerrohr mit einem Durchmesser von 7 mm (Re = 2530) wählen. Dies würde dann zu einer Reaktorlänge von 216 m führen. Der Wärmeübergang wäre dabei nicht signifikant höher. Zudem ist in vielen Reaktionsprozessen die Viskosität des Gemisches nicht exakt bekannt oder verändert sich während der Reaktion so, dass ein präziser Wärmedurchgang nicht bestimmt werden kann.
Die Mischer-Wärmetauscher hingegen weisen diese Nachteile nicht auf, da einerseits der Wärmeübergang auch bei laminarer Strömung viskositätsunabhängig um Faktor 5 bis 10 höher ist und andererseits die Plug-flow-Eigenschaften im Wesentlichen unabhängig von der Reynoldszahl sind. Die Länge des Mischer-Wärmetauschers würde bei einer Nennweite von DN 50 lediglich 4 x 1,6 m betragen. Der Platzbedarf des Reaktors beträgt bei einer Jahreskapazität von 430 t ca. 2,0 x 0,5 x 1,2 m (L x B x H). Diese kompakte Konstruktion kann standardisiert als funktionale Baugruppe beschafft werden.
Flexible Produktion
Im Bereich der Spezialchemie werden zunehmend kleine moderne und wettbewerbsfähige Chemieanlagen gefordert. Dabei soll der Prozess eine hohe Flexibilität aufweisen und für eine Vielzahl von Produkten verwendet werden können. In der cav 3/2016 wurde der PFRR-Reaktor (Plug Flow Recycle Reactor) von Fluitec vorgestellt. Das Reaktorkonzept basiert auf den bekannten Mischer-Wärmetauschern und ermöglicht eine koninuierliche Reaktionsführung mit maximalem Umsatz und gleichzeitig sicherer Beherrschbarkeit exothermer Prozesse. Dazu wird im Kreislaufreaktor die Kreislaufrate so reduziert, dass durch die Verdünnung des Produkts eine ausreichende Wärmeabfuhr gewährleistet ist. Zudem wird der Kreislaufreaktor am Austritt mit einem Strömungsrohr ergänzt, um maximalen Umsatz zu erreichen. Der PFRR-Reaktor wurde speziell für Produkte entwickelt, die in Semi-Batch-Reaktoren eingesetzt werden. Er vermag sämtliche stark exothermen Semi-Batch-Reaktionen kontinuierlich und sicher zu beherrschen. Die zugehörigen Baugruppen erlauben einen schnellen Produktwechsel ohne erhebliche Abfallprodukte. Zudem kann dieser kompakte Reaktor sehr gut in Produktionscontainern eingesetzt werden. PFRR-Reaktoren sind mit Volumina von 11 ml bis 40 m3 erhältlich.

Alain Georg
Leitung F+E, Fluitec

Norbert Merkel
Projektleitung Prozessautomatisierung,Fluitec


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