de - Beste verfügbare Techniken (BVT) - Umweltbundesamt
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Kapitel 4 4.1.4.6 Mikrostrukturierte Reaktorsysteme Beschreibung Die Mikroreaktionstechnologie hat in der chemischen Verfahrenstechnik in neuerer Zeit eine spektakuläre Entwicklung durchgemacht und wird nun auch im industriellen Maßstab durchgeführt. Mikroreaktoren sind durch dreidimensionale Strukturen im Submillimeterbereich gekennzeichnet. Sie habe folgende Eigenschaften: • hauptsächlich Mehrkanal-Reaktoren • Durchmesser zwischen 10 und einigen 100 Mikrometern • spezifische Oberfläche zwischen 10000 und 50000 m 2 /m 3 • hohes Wärmeübertragungsvermögen • kurze Diffusionszeiten, geringer Einfluss des Stoffaustausches auf die Reaktionsgeschwindigkeit • isotherme Bedingungen möglich. In Abbildung 4.4 ist ein Mikroreaktor mit fünf Platten für die Synthese einer Vitaminvorstufe mit simultaner Vermischung, Reaktion und Wärmeübertragung in einem System aus Edelstahl dargestellt [6, Ullmann, 2001]. Um ein Produkt in der benötigten Menge zu erhalten, muss eine bestimmte Zahl von Mikroreaktoren parallel angeordnet betrieben werden. Abbildung 4.4: Mikroreaktor mit fünf Platten für die Synthese einer Vitaminvorstufe Erzielte Umweltvorteile • aufgrund der möglichen größeren Effektivität (Prozessintensivierung) weniger Abfallströme • inhärente Reaktorsicherheit • höhere Ausbeuten und weniger Nebenprodukte. Medienübergreifende Effekte Wahrscheinlich keine. Betriebsdaten • typische Zelldimensionen von 2 ml • kontinuierliche Durchflussgeschwindigkeit von 1 – 10 ml/Minute • Durchsatz bis zu 140 g/Stunde. 106 Dezember 2005 OFC_BREF
Anwendbarkeit Kapitel 4 [6, Ullmann, 2001]: Eine Reihe von Reaktionen, einschließlich Hochtemperatur-Reaktionen, katalysierte Reaktionen und photochemische Reaktionen wurden erfolgreich in Mikroreaktoren getestet. Beispiele für Produktionen [69, Wuthe, 2004]: • Spezialchemikalien mit einer Produktionskapazität von 80 Tonnen/Jahr • Herstellung eines organischen Pigments (20 Tonnen/Jahr). Andere Beispiele: • *094I*: Ersetzen eines Chargenverfahrens mit exotischer oder schwieriger klassischer Chemie • *095A,I*: Auftragsentwicklung und -herstellung von Zwischenprodukten und Pharmawirkstoffen. Wirtschaftliche Aspekte In Tabelle 4.7 werden die Kosten einer Pilotproduktion in einer Chargenanlage und in einem Mikroreaktor verglichen. Am deutlichsten ist der Kosteneffekt bei der Übertragung eines Produkts vom Labor- in den Produktionsmaßstab, da statt des üblichen Scale-up einfach die Anzahl erhöht wird. 50 Liter- Chargenbehälter Mikroreaktor- Anordnung Investition 96632 EUR 430782 EUR Aufwand für Scale-up 10 Manntage 0 Manntage Mittlere Ausbeute 90 % 93 % Spezifischer Lösemittelverbrauch 10,0 l/kg 8,3 l/kg Erforderliches Personal pro Anlage 2 Mann 1 Mann Produktionsrate 427 kg/Jahr 536 kg/Jahr Spezifische Produktionskosten 7227 EUR /kg 2917 EUR /kg Kostenvorteil der Mikroreaktoranordnung 2308529 EUR/Jahr Kapitalerträge 0,14 Jahre Tabelle 4.7: Vergleich der Kosten einer Pilotproduktion in einer Chargenanlage und in einem Mikroreaktor Anlass für die Umsetzung Höhere Ausbeuten, Prozessintensivierung. Referenzliteratur und Beispielanlagen *094I*, *095A,I*, [6, Ullmann, 2001, 40, Schwalbe, 2002, SW, 2002 #70, 69, Wuthe, 2004], [78, Boswell, 2004], [94, O'Driscoll, 2004], [70, SW, 2002] und Literaturangaben darin OFC_BREF Dezember 2005 107
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Kapitel 4<br />
[6, Ullmann, 2001]: Eine Reihe von Reaktionen, einschließlich Hochtemperatur-Reaktionen,<br />
katalysierte Reaktionen und photochemische Reaktionen wur<strong>de</strong>n erfolgreich in Mikroreaktoren<br />
getestet.<br />
Beispiele für Produktionen [69, Wuthe, 2004]:<br />
• Spezialchemikalien mit einer Produktionskapazität von 80 Tonnen/Jahr<br />
• Herstellung eines organischen Pigments (20 Tonnen/Jahr).<br />
An<strong>de</strong>re Beispiele:<br />
• *094I*: Ersetzen eines Chargenverfahrens mit exotischer o<strong>de</strong>r schwieriger klassischer<br />
Chemie<br />
• *095A,I*: Auftragsentwicklung und -herstellung von Zwischenprodukten und<br />
Pharmawirkstoffen.<br />
Wirtschaftliche Aspekte<br />
In Tabelle 4.7 wer<strong>de</strong>n die Kosten einer Pilotproduktion in einer Chargenanlage und in einem<br />
Mikroreaktor verglichen. Am <strong>de</strong>utlichsten ist <strong>de</strong>r Kosteneffekt bei <strong>de</strong>r Übertragung eines Produkts<br />
vom Labor- in <strong>de</strong>n Produktionsmaßstab, da statt <strong>de</strong>s üblichen Scale-up einfach die Anzahl<br />
erhöht wird.<br />
50 Liter-<br />
Chargenbehälter<br />
Mikroreaktor-<br />
Anordnung<br />
Investition 96632 EUR 430782 EUR<br />
Aufwand für Scale-up 10 Manntage 0 Manntage<br />
Mittlere Ausbeute 90 % 93 %<br />
Spezifischer Lösemittelverbrauch 10,0 l/kg 8,3 l/kg<br />
Erfor<strong>de</strong>rliches Personal pro Anlage 2 Mann 1 Mann<br />
Produktionsrate 427 kg/Jahr 536 kg/Jahr<br />
Spezifische Produktionskosten 7227 EUR /kg 2917 EUR /kg<br />
Kostenvorteil <strong>de</strong>r Mikroreaktoranordnung 2308529 EUR/Jahr<br />
Kapitalerträge 0,14 Jahre<br />
Tabelle 4.7: Vergleich <strong>de</strong>r Kosten einer Pilotproduktion in einer Chargenanlage und in einem<br />
Mikroreaktor<br />
Anlass für die Umsetzung<br />
Höhere Ausbeuten, Prozessintensivierung.<br />
Referenzliteratur und Beispielanlagen<br />
*094I*, *095A,I*, [6, Ullmann, 2001, 40, Schwalbe, 2002, SW, 2002 #70, 69, Wuthe, 2004],<br />
[78, Boswell, 2004], [94, O'Driscoll, 2004], [70, SW, 2002] und Literaturangaben darin<br />
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