cav – Prozesstechnik für die Chemieindustrie 09.2021
Die Fachzeitschrift cav - Prozesstechnik für die Chemieindustrie berichtet über Verfahren, Anlagen, Apparate und Komponenten für die chemische und pharmazeutische Industrie. Weitere Themen sind IT-Technologien, Industrie 4.0, digitale Produktion, MSR- und Automatisierungstechnik und Prozessanalysentechnik. Abgerundet wird das inhaltliche Spektrum durch Ex-Schutz, Anlagensicherheit, Arbeitsschutz, Instandhaltung, Standortmanagement und Energiemanagement.
Die Fachzeitschrift cav - Prozesstechnik für die Chemieindustrie berichtet über Verfahren, Anlagen, Apparate und Komponenten für die chemische und pharmazeutische Industrie. Weitere Themen sind IT-Technologien, Industrie 4.0, digitale Produktion, MSR- und Automatisierungstechnik und Prozessanalysentechnik. Abgerundet wird das inhaltliche Spektrum durch Ex-Schutz, Anlagensicherheit, Arbeitsschutz, Instandhaltung, Standortmanagement und Energiemanagement.
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<strong>cav</strong><br />
VERFAHREN<br />
Macht Bioraffinerien effizienter<br />
Hoher Feststoffanteil im<br />
oszillierenden Reaktor<br />
Bisher werden oszillierende Reaktoren kommerziell in chemischen Prozessen mit<br />
geringen Feststoffgehalten eingesetzt. Das österreichische Forschungsinstitut<br />
AEE Intec erforscht nun den Einsatz der Reaktoren <strong>für</strong> biochemische Prozesse mit<br />
hohem Biomasseanteil wie <strong>die</strong> enzymatische Hydrolyse von Zellulose.<br />
Der oszillierende Reaktor ist in seinem<br />
Grundaufbau ein Rohrreaktor, der mit<br />
Einbauten ausgestattet ist. Eine Oszillationspumpe<br />
versetzt das Fluid, das durch den<br />
Reaktor strömt, in Schwingungen. An den<br />
Einbauten in der Röhre bilden sich Turbulenzen,<br />
<strong>die</strong> sich durch Amplitude und<br />
Oszillationsfrequenz der Pumpe steuern<br />
lassen. Der Volumenfluss durch den Reaktor<br />
erfolgt in Form einer überlagernden Pfropfenströmung.<br />
Die Fließgeschwindigkeit<br />
durch den Reaktor kann so von der Partikelgeschwindigkeit<br />
entkoppelt werden.<br />
Dadurch lässt sich ein langsamer Prozess<br />
kontinuierlich betreiben, während sicher -<br />
gestellt ist, dass <strong>die</strong> Einsatzstoffe durch <strong>die</strong><br />
Oszillationsbewegung sehr gut durchmischt<br />
werden.<br />
Flexibel skalierbar<br />
In den bisherigen Versuchen wurden doppelwandige<br />
Glasreaktoren eingesetzt, um<br />
<strong>die</strong> Strömungen im Inneren besser untersuchen<br />
zu können. Je nach geforderten Produktionsbedingungen<br />
sind aber auch andere<br />
Materialien möglich, z. B. Edelstahl. Je nach<br />
Anwendungsbereich sind verschiedene Baugrößen<br />
und Abmessungen des Reaktors<br />
möglich.<br />
Der Reaktor ist modular aus mehreren<br />
Rohrstücken aufgebaut. Die Länge des<br />
gesamten Reaktors ergibt sich aus der im<br />
Prozess benötigten Verweildauer und der<br />
Flussgeschwindigkeit. Letztere kann sehr<br />
langsam sein, da <strong>die</strong> Oszillationsbewegung<br />
<strong>die</strong> nötigen Turbulenzen erzeugt und <strong>die</strong><br />
Durchmischung selbst von dickflüssigen<br />
Suspensionen ermöglicht. Me<strong>die</strong>nspezifisch<br />
kann das Verhältnis von Flussgeschwindigkeit<br />
und Oszillation <strong>für</strong> eine optimale<br />
Rheologie optimiert werden. Neben der<br />
Länge kann man auch den Durchmesser an<br />
<strong>die</strong> Prozessanforderungen anpassen. Der<br />
Reaktor kann durch <strong>die</strong> parallele oder<br />
serielle Verschaltung der Rohrstücke einfach<br />
skaliert werden.<br />
Auf Basis der bisherigen rheologischen<br />
Testreihen hat AEE Intec mögliche Reaktorgrößen<br />
berechnet. In erster Näherung kann<br />
man damit rechnen, dass man <strong>für</strong> eine einstündige<br />
Verweilzeit und gleichzeitig gute<br />
Durchmischung einer hochviskosen Suspension<br />
einen Reaktor mit 7 cm Durchmesser<br />
und einer Länge von 20 m benötigt. In der<br />
Praxis ist natürlich noch eine genaue<br />
Dimensionierung nötig und eine Optimierung<br />
möglich.<br />
An den helixförmigen Einbauten im oszillierenden Reaktor bilden sich Turbulenzen, <strong>die</strong> <strong>für</strong> eine gute<br />
Durchmischung sorgen. Gleichzeitig schiebt sich <strong>die</strong> überlagernde Pfropfenströmung kontinuierlich<br />
durch <strong>die</strong> Röhre (hier mittels violetter Tinte dargestellt). So können Verweilzeit und Durchmischung jeweils<br />
<strong>für</strong> sich optimiert werden.<br />
Bilder: AEE Intec<br />
Hohe Ressourceneffizienz<br />
Der oszillierende Reaktor ermöglicht es, <strong>die</strong><br />
Vorteile eines Rohrreaktors auch <strong>für</strong> Prozesse<br />
mit langsamer Reaktionskinetik zu nutzen.<br />
Durch <strong>die</strong> Oszillation werden <strong>die</strong> Suspensionen<br />
optimal durchmischt und gleichzeitig<br />
langsam und kontinuierlich durch<br />
den Reaktor transportiert. Das funktioniert<br />
selbst bei hohen Feststoffkonzentrationen.<br />
Im Test mit suspen<strong>die</strong>rter α-Zellulose war<br />
im Vergleich zu herkömmlichen Reaktoren<br />
eine Steigerung der eingesetzten Konzentration<br />
um den Faktor 3,5 möglich <strong>–</strong> um <strong>die</strong>sen<br />
Faktor könnte das Prozessvolumen also<br />
bei gleichem Massenstrom kleiner ausfallen.<br />
Die hohen Feststoffkonzentrationen bedeuten<br />
auch, dass in vielen Fällen <strong>die</strong> Verdünnung<br />
und anschließende Aufkonzentrierung<br />
entfallen können.<br />
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