Cool bleiben mit Stickstoff

Autor Johann Kaltenegger Marktentwicklung Chemie, Geschäftsbereich Linde Gas, Linde

Hauptanwendungsgebiete für Tieftemperaturprozesse sind Synthesen oder Kristallisationen, z. B. asymmetrische Synthesen, die Reduktion von Metallhydriden oder die Hydrierung aromatischer Verbindungen mit Natrium und Ammoniak. So lassen sich Selektivität und Produktqualität optimieren. Außerdem lassen sich Produkte unter tiefkalten Bedingungen zu geringeren Kosten aufarbeiten. Waren in der Vergangenheit Temperaturen von -20 bis -40 °C in den Tieftemperaturreaktoren ausreichend, erfordert die Entwicklung neuer Technologien und Produkte heute tiefere Temperaturen von bis zu -110 °C. Um diese extremen Temperaturbedingungen präzise und wirtschaftlich zu reproduzieren, benötigt der Anwender ein Kühlsystem, das sich exakt regeln lässt und dabei zuverlässig arbeitet.

Bisherige Kühlverfahren nutzen dafür entweder tiefkalte Gase oder mechanische Kühlverfahren. Bei -196 °C tiefkalt verflüssigter Stickstoff (N2) eignet sich beispielsweise hervorragend als Kühlmedium bei chemischen Prozessen. Bei konventionellen Lösungen wird er allerdings direkt in den Reaktor eingebracht. Deshalb hat dieses Verfahren trotz guter Steuerbarkeit Nachteile: Zum einen wird der Stickstoff dadurch verunreinigt und kann nicht mehr weiterverwendet werden. Zum anderen besteht die Gefahr, dass das Reaktionsgemisch im direkten Kontakt mit dem Stickstoff an- oder einfriert. Ein weiteres Prozesskühlungsverfahren könnte die Zugabe von Trockeneis sein, also von festem Kohlendioxid in Pelletform. Dieses in der Lebensmittelherstellung durchaus übliche Verfahren lässt sich jedoch nur vergleichsweise unpräzise steuern. Damit ist es für den großtechnischen Einsatz in der chemischen Industrie nur bei geringeren Anforderungen geeignet.

Mechanische Kühlmethoden sind eine bekannte Alternative, aber für Temperaturen unter -40 °C zumeist aufwendig als mehrstufige Anlagen auszuführen. Entsprechend groß ist ihr Platzbedarf. Teilweise kommen gesundheitsschädliche Stoffe wie Ammoniak zum Einsatz. Und auch die Wartung und Instandhaltung von mechanischen Kälteanlagen stellt hohe Anforderungen.

Eine effiziente Alternative bietet die Temperierung eines Tieftemperaturreaktors über einen Sekundärkreislauf. Das bedeutet, eine intelligente Kombination von Wärmetauschern verhindert den direkten Kontakt zwischen dem tiefkalten Flüssigstickstoff und dem Prozessmedium wie Methanol oder Toluol. Stattdessen wird das Prozessmedium mit kaltem, gasförmigem Stickstoff gekühlt. Dieser wird durch die Verdampfung von Flüssigstickstoff gewonnen. Das Prozessmedium kann so nicht mehr anfrieren. Darüber hinaus überzeugt das Verfahren durch eine hohe Wirtschaftlichkeit, vor allem bei Batch-Prozessen. Die Kompaktheit des Systems trägt zusätzlich zu seiner Effizienz bei.

Als weiterer Vorteil ist eine solche Lösung mit Sekundärkreislauf leicht zu handhaben. Der hohe Automatisierungsgrad ermöglicht beispielsweise präzise Kühlprozesse ohne Aufsicht. Weil die Reaktionsmasse wegen der vollkommen getrennten Kreisläufe zudem keinen direkten Kontakt zum flüssigen Stickstoff bekommen kann, lassen sich mit einfach gesteuerten Temperaturwechseln mehrere Prozessschritte in einem Reaktor durchführen. Schnell veränderbare Prozesstemperaturen machen den Prozessverlauf effektiver und effizienter. Und auch die Prozesssicherheit erhöht sich dadurch.

Mit dem hocheffizienten automatischen Prozesskühlsystem Cumulus FTC (Fluid Temperature Control) bietet Linde eine inzwischen vielfach bewährte Temperierlösung mit Sekundärkreislauf. Die FTC-Einheit ist einerseits mit dem Flüssigstickstofftank verbunden und andererseits mit dem Prozessmediumkreislauf. Beide Kreisläufe sind völlig getrennt. Der Flüssigstickstoff kommt nicht mit der Reaktionsmasse in Berührung. Ein Anfrieren der Masse ist damit ausgeschlossen. Außerdem kann der verdampfte Stickstoff nach Abschluss des Prozesses wiederverwendet werden, beispielsweise zur Inertisierung, was einen hohen Beitrag hinsichtlich Energie- und Kosteneffizienz bedeutet. Bei anschließender Verwendung des gasförmigen Stickstoffs sinken die Betriebskosten für das Kühlsystem auf nahezu Null.

Das System ist präzise steuerbar. Bei seiner Konzeption stand darüber hinaus eine hohe Flexibilität im Fokus: So lassen sich bei Parametern wie Last, Volumenstrom und Temperatur unterschiedlichste Prozessbedingungen realisieren. Selbst bei Temperaturen bis -110 °C lassen sich die Werte auf bis zu ±1 °C genau regeln. Dieser hohe Präzisionsgrad vermeidet unerwünschte Nebenreaktionen, durch die Verbindungen und Isomere entstehen können. So werden Produktqualität, Selektivität und Ausbeute messbar erhöht. Die kurzen Abkühl- und Aufheizzeiten und die geringen Betriebskosten im Verhältnis zur Kühlleistung sind ein weiterer Vorteil der Linde-Lösung.

Fünf unterschiedliche Modelle stellen für jeden Bedarf eine optimal dimensionierte Lösung sicher: Angefangen beim kompakten Tischmodell PX5 für den Laborbetrieb mit 5 kW Kühlleistung über PX20, PX50 bis hin zu der PX100 für die Großproduk-tion mit 100 kW Kühlleistung. Noch tiefere Temperaturen erreicht das Modell Cumulus LXT50 mit bis zu -184°C Maximalkühltemperatur bei 50 kW Kühlleistung.

Die weltweit aktive Pharmazell GmbH mit Hauptsitz im bayerischen Raubling zum Beispiel nutzt das Prozesskühlsystem Cumulus FTC regelmäßig. Am Standort Raubling entwickelt und produziert das Unternehmen pharmazeutische Wirkstoffe (APIs) sowohl für forschende und entwickelnde Pharma- als auch für Generikahersteller. Die Produktion erfolgt selbstverständlich gemäß der GMP-Standards (Good Manufacturing Practice). Regelmäßige Inspektionen durch die US-amerikanische FDA und deutsche Behörden bestätigen die hohen Qualitätsansprüche. Auch auf Verlässlichkeit bei Produktqualität und Liefertreue legt Pharmazell größten Wert. Eine stets optimale Prozesskühlung ist dabei eine unerlässliche Voraussetzung. Mit Cumulus FTC ist diese Voraussetzung mit hoher Flexibilität gegeben.

prozesstechnik-online.de/cav0215413