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Durchflussreaktoren Durchblick in Sachen Durchfluss: So verlieren Feststoffe im Reaktor ihren Schrecken

| Autor / Redakteur: Rolf Dahlbeck, Robert Ashe* / Dominik Stephan

Handhabung von Feststoffen in Durchflussreaktoren – Bridging, Ablagerungen oder mechanische Belastung, zähe Materialien und klebrige Produkte: Das Handling von Feststoffen in Konti-Prozessen steckt voller Herausforderungen. So gestalten Sie die Produktleitungen und Rohrreaktoren für Reaktionen mit Feststoff-Suspensionen.

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Gerührter Vorratsbehälter und Recyc­ling-Schleife mit geradem, vertikalen Reaktorzufluss und Coflore-Ventil SXV zur Zuführung von Suspensionen und zur Abführung von überschüssigem Gas
Gerührter Vorratsbehälter und Recyc­ling-Schleife mit geradem, vertikalen Reaktorzufluss und Coflore-Ventil SXV zur Zuführung von Suspensionen und zur Abführung von überschüssigem Gas
(Bild: AM Technology; aleksander1 – stock.adobe.com)

Ob als Katalysator, Reaktionspartner oder als gewünschtes oder unerwünschtes Reaktionsprodukt: An zahlreichen chemischen Prozessen sind Feststoffe beteiligt. In einem Durchfluss- oder Rohrreaktor ist es erforderlich, dass diese Materialien fließen, ohne sich abzusetzen und den Reaktor zu blockieren.

Ein besonderes Problem stellt dabei die Zuführung der Suspension dar, besonders bei niedrigen Flussraten, wie sie im F&E-Bereich, im Technikum oder bei Kleinmengenproduktionen auftreten. Die Standard-Handhabung von homogenen Fluiden stößt dabei häufig an ihre Grenzen, insbesondere bei sehr zähen und klebrigen Materialien oder großen Feststoffen.

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„Bridging“ von Teilchen in einem engen Kanal
„Bridging“ von Teilchen in einem engen Kanal
(Bild: AM Technology)

Risikofaktor Bridging

Ein häufig auftretendes Problem ist dabei das so genannte „bridging“, bei dem ruhende Teilchen weitere Partikel einfangen bis die gesamte Rohrleitung überbrückt ist. Dieses Phänomen entsteht normalerweise nicht, wenn der Tunnelquerschnitt zehn- bis 20-mal größer als der mittlere Partikel-­Durchmesser ist, was aber auch bedeutet, dass kleine Pumpen, Regelventile oder Massendurchflussmesser nicht eingesetzt werden können.

Ein anderes Problem sind Ablagerungen in horizontalen Leitungen: Zur Vermeidung von Verstopfungen ist ein intensives Vermischen durch hohe Fließgeschwindigkeiten mit turbulentem Fluss erforderlich. In aufsteigenden Leitungen ist dieses Problem größer, da die erforderliche Geschwindigkeit der Medien höher sein muss. Tote Räume, in denen sich Feststoffe leicht festsetzen, können vermieden werden, indem der Kanaldurchmesser unverändert bleibt und große Biegeradien verwendet werden.

Die Verweilzeit entscheidet

Entscheidend für die volumetrische Flussrate ist die erforderliche Verweilzeit. Dabei muss der Durchmesser der Transferleitungen ausreichen, um das „bridging“ zu vermeiden. In vielen Fällen reicht die Flussgeschwindigkeit nicht aus, um Feststoffe in der Schwebe zu halten. Daher ist es vorteilhaft, die Leitungen so kurz wie möglich und vertikal oder zumindest abfallend auszuführen, damit die Partikelbeförderung durch die Schwerkraft unterstützt wird.

Ablagerung von Feststoffen in einem Kanal
Ablagerung von Feststoffen in einem Kanal
(Bild: AM Technology)

Weiterhin muss die Feststoffkonzentration in der Zuführung der im Vorratsbehälter entsprechen. Bei hohen Transferraten (einige 100 Liter/Stunde) kann direkt in den Reaktor gepumpt werden. Sonst sollte eine Suspensions-Recycling-Zuführung vorgesehen werden, die die Benutzung von großen Pumpen und hohen Fließgeschwindigkeiten erlaubt. Die Recycling-Leitung führt direkt oberhalb des Reaktoreinlasses entlang, um eine kurze Verbindung zu ermöglichen.

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