Frischzellenkur für Reaktoren:
Innovative Rührtechnologie - nicht nur für Neuanlagen

Autor: Werner Himmelsbach, Leiter Forschung, Entwicklung & Anwendungstechnik bei EKATO Rühr und Mischtechnik

In der chemischen Industrie innerhalb Europas wird zurzeit nur noch selten in Neuanlagen investiert - eine Tendenz, die nicht nur bei Massenchemikalien zu beobachten ist, sondern auch verstärkt in der Spezialitätenchemie. Die Betreiber sehen sich aufgrund des zunehmenden Wettbewerbs gezwungen, zuerst die Wirtschaftlichkeit ihrer bestehenden Anlagen zu erhöhen. Da in den meisten verfahrenstechnischen Abläufen, vor allem aber in Reaktoren, Rührsysteme zum Einsatz kommen, können diese maßgeblich zur Wirtschaftlichkeit eines Prozesses beitragen.

Anlagenoptimierungen können mit einem Minimum an Investitionen durchgeführt werden, da auf bestehendes Equipment zurückgegriffen werden kann und dieses mit kleinstmöglichem Aufwand an die neuen Erfordernisse angepasst wird. Da viele Chemieunternehmen infolge des Kostendrucks eigene Kapazitäten im Engineering abgebaut haben, können verfahrenstechnische Konzepte nicht mehr intern entwickelt werden. Zudem werden Instandhaltungskosten zurückgefahren, ohne dass dadurch die Verfügbarkeit der Anlagen gefährdet werden darf. Die Wartungsintervalle werden immer länger, die Personalbestände für die Instandhaltung sind reduziert, die Lagerhaltung von Ersatzteilen optimiert. Bei diesen Rahmenbedingungen kommt dem externen Dienstleistungsunternehmen eine zentrale Bedeutung zu, das individuelle Gesamtlösungen aus einer Hand anbieten kann.

Die Ausgangslage: Pilotversuche zur Verfahrensoptimierung

Nur wer einen umfassenden Service zur eigentlichen Rührtechnik bietet, schafft den Mehrwert, den die chemische Industrie heute benötigt. Daher haben wir bei EKATO kontinuierlich unser Angebot erweitert. Dies beginnt mit der Verfahrensoptimierung durch die Auslegung von Rührreaktoren auf der Basis von Pilotversuchen. Die chemische Entwicklung im Labor konzentriert sich vor allem auf die Bestimmung kinetischer oder thermodynamischer Parameter sowie der Stoffdaten. Standard-Laborgeräte eignen sich kaum für einen Scale-up des eigentlichen Reaktors. Daher bietet die EKATO Rühr- und Mischtechnik ergänzend eine Vorgehensweise an, die das Zusammenspiel von Rührsystemen mit Flüssigkeiten, Feststoffen und Gasen unter betriebsnahen Bedingungen untersucht und zuverlässige Auslegungsrichtlinien und Scale-up Regeln ableitet.

Die ELA besteht aus einem 5 - Liter Edelstahlreaktor mit einem zulässigen Betriebsdruck bis 40 bar mit einer Standardgeometrie aus vertikalem Zylinder und Klöpperboden.

Mit der "Miniplant" ELA ( E KATO L abor A nlage) wird dieses Dienstleistungspaket auf den Bereich der Reaktionstechnik ausgeweitet. Reaktionen lassen sich damit unter definierten rührtechnischen Bedingungen durchführen; die chemischen und verfahrenstechnischen Parameter können betriebsnah simuliert werden. Die Leistungsfähigkeit eines Prozesses lässt sich so bereits in einem frühen Stadium abschätzen und optimieren, unliebsame Überraschungen in der Produktion werden vermieden. Nicht nur das Rührsystem selbst, auch Reaktorkomponenten wie Stromstörer, Wärmeaustauschelemente, Zugabe- oder Abzugspunkte können damit sicher ausgelegt werden.

Der Kern: das innovative Rührysytem

Im Hinblick auf Rührsysteme liegt zurzeit ein besonderes Potential im Bereich der Gas-flüssig -Reaktionen. Reaktionen zwischen gasförmigen und flüssigen Komponenten werden vor allem in der chemischen und pharmazeutischen Industrie, aber auch bei der Verarbeitung von Ölen und Fetten oder bei der nassen Aufbereitung von Erzen durchgeführt. Typisch hierfür sind Hydrierungen, wo Wasserstoff mit dem gelösten Reaktionspartner an der Oberfläche eines festen Edelmetallkatalysators reagiert.

Bei schnellen Reaktionen limitiert der Stoffübergang gas-flüssig den chemischen Umsatz und ist damit bestimmend für die Produktivität des Prozesses. Die Betriebsweise ist bei allen Reaktoren gleich: Die Feed-Rate des Gases wird über einen konstanten Reaktordruck geregelt. Da sich aber das zugeführte Gas nicht spontan vollständig löst, steigt ein Teil in den Kopfraum des Reaktors auf und führt dort zu einem Druckanstieg. Wird dieses Gas aus dem Kopfraum nicht in die Flüssigkeit rezirkuliert, drosselt der Druckregler die Gaszufuhr und damit die Reaktionsrate. Der Erfolg des Verfahrens hängt also neben der optimalen Dispergierung des Feed-Gases von der effizienten Rezirkulation des unreagierten Anteils ab.

EKATO hat dafür die so genannte Kombi-Begasung mit interner Rezirkulation entwickelt. Das Frischgas wird nach wie vor über die Druckregelstrecke eingespeist und durch einen Primärdispergierer (EKATO-PHASEJET) verteilt. Nicht gelöstes Gas steigt in den Kopfraum und wird von dort durch eine Turbine (EKATO GASJET) angesaugt und in die Flüssigkeit redispergiert. Der Weg des Gases geht durch Bohrungen in der Flanschkupplung, die hohle Welle und durch Schlitze in der Nabe weiter in die Flügel der Turbine. Der Reaktor bleibt kompakt, zusätzliche Einrichtungen außerhalb sind nicht erforderlich. Durch die Rezirkulation ist auch in der langsamen Endphase der Reaktion immer genügend Gas gelöst, für den Katalysator tritt keine Mangelsituation ein, die eine Vergiftung fördert. Die Reaktionswärme kann über Rohrschlangen oder -bündel abgeführt werden, bei großer Exothermie werden auch Platten eingesetzt. Mit letzteren lassen sich spezifische Wärmeaustauschflächen bis zu 25 m²/m³ Reaktorvolumen erzielen.

Kombi-Begasung, Reaktor mit interner Gasrezirkulation

Der Mehrwert: Rumdum-Service zur Rührtechnik