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Verfahrenstechnik 12/2021

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Verfahrenstechnik 12/2021

Sicher, sauber, schnell

Sicher, sauber, schnell Mikro-Reaktionstechnik mit zukunftsorientierten Konzepten Nach einer anfänglichen Euphorie stagnierte der Einsatz der Mikroreaktionstechnik, doch nun ist sie auf dem Weg, sich in der Produktion zu etablieren. In China wird derzeit eine World-Scale- Anlage aufgebaut, die diese Technologie nutzt. In der Anlage in der Nähe von Shanghai wird ein Zwischenprodukt für einen Wirkstoff zur Förderung des Pflanzenwachstums hergestellt werden. Die bisherige Planung sieht eine World-Scale-Anlage zur Produktion von etwas mehr als 100 000 t Zwischenprodukt pro Jahr vor. Damit bekommt die Flow-Chemistry bzw. die Mikroreaktionstechnik (MRT) mit der Miprowa-Technologie in Asien neben der bisherigen Präsenz in Anlagen der Spezial- und Feinchemie, der Pharmachemie oder der Produktion von Lithiumbatterien ein neues Flaggschiff. Aber auch in Europa und in den USA gibt es bei Che- miekonzernen neben zahlreichen Entwicklungsprojekten auch konkrete Planungen für Produktionsreaktoren. Im Verbund der Firmen Ehrfeld Mikrotechnik, Quast, DMT und Encos stehen jetzt neben der verfahrenstechnischen Basistechnologie auch Leistungen zur Software-Simulation der Reaktoren bis hin zur schlüsselfertigen Lieferung der Reaktoren inklusive moderner Automatisierung mit Advanced Process Control (APC) zur Verfügung. Der Kundennutzen besteht hier aus dem integrierten Ansatz von Reaktorexpertise, Prozess- und Automatisierungs- Know-how sowie internationaler Anlagenbaukompetenz. Effizient und sicher Die MRT liefert wichtige Impulse, um Anlagen der chemischen Verfahrenstechnik kompakter, effizienter und sicherer gestalten zu können. Im Vergleich zu klassischen Reaktoren ist das Verhältnis von Oberfläche zu Reaktionsvolumen sehr viel größer. Dadurch lassen sich Reaktionstemperaturen gezielt steuern, unerwünschte Nebenreaktionen unterdrücken und die Prozessdauer signifikant verkürzen. Um dabei auch produktionsrelevante Durchsätze zu realisieren, wird das Prinzip der Mikrostrukturierung auf Strukturen im Millimeterbereich übertragen. Die von Ehrfeld Mikrotechnik am Beispiel des Miprowa-Produktionsreaktors entwickelte Technologie verbindet diese Vorteile mit einem integralen Scale-up- Konzept, das es erlaubt, alle relevanten reaktionstechnischen Parameter im Labormaßstab sowie die produktionsrelevanten Eigenschaften (Fouling und Standzeiten) im Technikumsmaßstab zu ermitteln. Eine Besonderheit der Technologie sind die rechteckigen Reaktionskanäle mit typischen Querschnittmaßen von 12 × 1,5 mm² und 18 × 3,2 mm² für Labor, Pilotstufe und Produktion, die sich mit ihrer besonders hohen Oberfläche optimal für schnelle, stark exotherme und endotherme Reaktionen eignen. Gefertigt werden diese Reaktoren aus Werkstoffen wie Edelstahl und Hastelloy, um die in der Autoren: Anne Kaaden, Key Account Manager, Ehrfeld Mikrotechnik GmbH, Wendelsheim; Dr. Volker Oestreich, Dr. Oestreich Consulting, Karlsruhe 16 VERFAHRENSTECHNIK 12/2021 www.verfahrenstechnik.de

VERFAHREN UND ANLAGEN 01 01 Produktionsreaktor für eine Durchsatzkapazität von bis zu 10 000 t/a 02 Geöffneter Miprowa-Produktionsreaktor mit 154 rechteckigen Reaktionskanälen und statischen Mischeinlagen Produktion benötigte Robustheit zu gewährleisten. Das besondere Know-how für den Fertigungsprozess haben Ehrfeld Mikrotechnik und seine Partner erarbeitet und in vielen Applikationen in der Feinund Spezialitätenchemie, Petrochemie, Polymerchemie sowie der Lebensmittelund Kosmetikindustrie umgesetzt. Vom Batch- zum Konti-Prozess Für den Scale-up-Schritt zum Produktionsmaßstab haben Encos und Ehrfeld im Rahmen eines gemeinsamen F&E-Projekts eine Simulationssoftware entwickelt. Der Versuchsaufwand für Prozess-Entwicklung und Optimierung kann somit deutlich reduziert werden. Im Ergebnis lassen sich Reaktoren von Laborgröße bis hin zu Miprowa-Produktionsreaktoren mit einer Produktionskapazität von 10 000 t/a und mehr jetzt noch effizienter skalieren. Jeder dieser Reaktoren hat einen Durchsatz von ca. 1 m³/h bei einer Nennweite von 400 mm und einer Länge von jeweils 7 m. Dabei bleiben alle Vorteile der Mikro- Reaktionstechnik erhalten. Dies spiegelt sich vor allem in der hocheffizienten Wärmeübertragung, dem schnellen Mischen, definierten und reproduzierbaren Verweilzeiten, einfacher Prozesskontrolle und einem geringen Hold-up wider. Die präzise kontinuierliche Prozessführung, insbesondere für sonst schwer zu beherrschende Reaktionssysteme, sorgt für eine höhere Ausbeute, gepaart mit verbesserter Produktqualität und einer optimierten Anlagensicherheit. Infolge des Wegfalls von Rüstzeiten und eines reduzierten Personalbedarfs sind die Amortisationszeiten minimal. Zusätzlich ist durch den Einsatz beispielsweise im „Power to X“ Kontext auch ein Beitrag zur Dekarbonisierung möglich. Modularer Charakter Das Miprowa-Reaktorkonzept kann als ein modulares System verstanden werden, insofern der Produktionsreaktor als Ganzes typischerweise aus einer Reihenschaltung Die Simulationssoftware erlaubt eine reaktionstechnische Reaktordimensionierung mehrerer Kerne standardisierter Länge besteht. Der Reaktor-Durchmesser ist abhängig vom zu leistenden Durchsatz: Als Parameter für die Durchsatz-Skalierung kann mit einer Variante des Numberingup auch die Anzahl parallel betriebener Reaktoren variiert werden. Encos verfügt mit MicroFit über eine Simulationssoftware für Miprowa-Reaktoren, die eine reaktionstechnische Reaktordimensionierung erlaubt. In Kombination mit der Verwendung von datenbankbasierten CapEx-/OpEx-Kalkulationssystemen und der teilintegrierten Auswertung von 3-D-Layout-Varianten ist Encos ge- 02 meinsam mit Ehrfeld in der Lage, für eine Vielzahl spezifischer Anwendungsfälle die wirtschaftlichste Lösung zu entwickeln. Schlüsselfertige Anlagen Im Rahmen ihrer Zusammenarbeit verfolgen die DMT-Gruppe und Encos eine Arbeitsteilung, die auf die Lieferung schlüsselfertiger Anlagen ausgerichtet ist. Encos übernimmt dabei den Großteil des Engineerings unter dem Schirm der DMT, die als Generalunternehmer neben dem Projektmanagement auch Procurement, Montagen und Inbetriebnahme verantwortet. Dies schließt das Engineering für Automatisierung und die Implementierung der Instrumentierung, Regelung und Steuerung sowie die zentrale Leittechnik mit ein. Am konkreten Beispiel der Miprowa- Technologie geht die gemeinsame Hauptstoßrichtung des Anlagenbaus in Richtung Batch-to-Conti. Die Regelungstechnik stellt eine vorrangige Komponente der Automatisierung dar. Mit Blick auf Produktqualität und Energieeffizienz wird dabei verstärkt auf die adaptiv optimierende Wirkung der APC gesetzt. Fotos: Ehrfeld www.ehrfeld.com www.verfahrenstechnik.de VERFAHRENSTECHNIK 12/2021 17

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