cav – Prozesstechnik für die Chemieindustrie 09.2021

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