Mikroreaktionstechnik unterstützt die Prozessintensivierung

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Mit der F³-Factory und Container-Modulen fährt ein Konsortium aus 26 Forschungs- und Industriepartnern den Ansatz, die Fabrik der Zukunft zu erfinden: Die Vision ist, zu 50 Prozent der Kosten produzieren zu können und zu 50 Prozent der Zeit mit neuen Produkten auf den Markt zu kommen. Eingesetzt werden auch hierfür prozessintensivierte Reaktoren, die mit kleineren Volumina punkten sowie Hochenergie-Mischer aus der Mikroverfahrenstechnik.

Hohe Selektivität, exzellenter Wärmeübergang

Als Werkstoffe der Mikroreaktionstechnik kommen Glas, Edelstahl und Siliciumcarbid zum Einsatz. Während Glas aufgrund seiner Transparenz für den Laboreinsatz sehr gut geeignet ist, limitiert die vergleichsweise geringe Wärmeleitfähigkeit die Verwendung im Technikum und in der Produktion. Edelstahl-Apparate sind hier besser geeignet, stoßen jedoch in korrosiven Medien und bei exothermen Hochtemperaturanwendungen an Grenzen. Speziell für diese Anwendungsklasse stehen Reaktoren aus Siliciumcarbid bereit. Die Korrosionsbeständigkeit gegen alle Arten von Säuren und Laugen, seine Temperaturbeständigkeit bis 1500 °C und eine fünffach höhere Wärmeleitfähigkeit als Edelstahl machen es vielfach zum Material der Wahl.

Die ausgezeichnete Wärmeübertragung ist ein Hauptvorteil von mikrostrukturierten Kanälen. Im günstigsten Fall können dadurch Kühl- oder Heizeinheiten entfallen. Und durch die höhere Prozessstabilität kann der Aufwand zur Prozesskontrolle geringer ausfallen.

Moderne Mikroreaktionstechnik bietet in vielfacher Weise Turbo-Effekte: Mikrowärmeübertrager glänzen gegenüber einem herkömmlichen Plattenwärmetauscher mit einer tausendfachfach höheren Wärmeübertragungsleistung. Mikromischer erlauben charakteristische Mischzeiten bis in den Millisekunden-Bereich und – verglichen mit einem traditionellen Rührkessel – eine mindestens zehnfach geringere volumenspezifische Arbeit.

Fazit: Prozessintensivierung sucht den Quantensprung

Was unterscheidet die ‚Prozessintensivierung’ von der ‚Prozessoptimierung’? Im Blick steht nicht der ‚bottle neck’, der Flaschenhals, den es mehr oder weniger zu weiten gilt. Es geht eher um den Quantensprung, der die Effizienz eines Verfahrens deutlich in Richtung des theoretisch Möglichen verschiebt. Oder auch um ganz neue Verfahrenswege.

Stark exotherme zweiphasige Flüssig/Flüssig- oder Gas/Flüssig-Reaktionen spielen in der chemischen Industrie eine große Rolle. Diese Reaktionen sind geradezu prädestiniert für einen Einsatz der Mikroverfahrenstechnik mit dem Ziel der Prozessintensivierung. Denn Mikroreaktoren ‚drehen‘ an den zwei großen Stellschrauben chemischer und wirtschaftlicher Effizienz: (1) Effektivere Nutzung von Ressourcen durch die höhere Selektivität zum Produkt und (2) Ausnutzung von Prozessfenstern mit um Größenordnungen schnelleren chemischen Umsetzungen. Hinzu kommt die höhere Sicherheit durch das verkleinerte Reaktor-Volumen.

* Der Autor arbeitet als freier Mitarbeiter für PROCESS. E-Mail-Kontakt: redaktion@process.de

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Link: Download der Broschüre „Mikroreaktionstechnik“ des Frauhofer ICT

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