Durchflussreaktoren Wie sich Feststoffe in Durchflussreaktoren richtig handhaben lassen

Autor / Redakteur: Robert Ashe / M.A. Manja Wühr

Gegenüber Batch-Reaktoren punkten Durchflussreaktoren u.a. mit höherer Ausbeute, reduziertem Lösungsmittelverbrauch und mehr Sicherheit. Eine Weiterentwicklung ermöglicht nun auch Anwendungen für Prozessmaterialien, die bisher mit herkömmlichen Durchflussreaktoren nicht oder nur mit Abstrichen verarbeitet werden konnten.

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Der Agitated Tube Reactor (ATR) ist ein Rohrreaktor mit radialem dynamischem Mischen.
Der Agitated Tube Reactor (ATR) ist ein Rohrreaktor mit radialem dynamischem Mischen.
(Bild: AM Technology)

Durchflussreaktoren werden bereits in vielen Forschungs- und Entwicklungslaboren eingesetzt. Trotz ihrer wachsenden Popularität ist ihre Nutzung bisher beschränkt auf Prozesse mit sauberen Fluiden. Dies hat eher etwas zu tun mit den Arten von kontinuierlichen Reaktoren, die allgemein verfügbar sind, als dem Bedarf des Nutzers [1].

Viele nützliche industrielle Prozesse verwenden Prozessmaterialien aus einer Mischung von Flüssigkeiten und Feststoffen. Selbst wenn Prozessfluide nominell frei von Feststoffen sind, können dennoch Probleme auftreten infolge von Fouling oder durch die Ansammlung von Ablagerungen. In diesem Beitrag werden einige praktische Lösungen für die Handhabung von Suspensionen in Durchflussreaktoren betrachtet – insbesondere die Nutzung der Coflore-Reaktoren von AM Technology.

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Durchflussreaktoren

Alle kontinuierlichen Reaktoren eignen sich grundsätzlich zur Handhabung von Feststoffen. Jedoch beeinflussen Konzentration, Größe und Dichte der tolerierbaren Feststoffe stark das jeweilige Reaktordesign sowie Größe und Eigenschaften des Prozessmaterials. Mikroreaktoren repräsentieren einen extremen Fall und können nur sehr kleine Feststoffe in niedrigen Konzentrationen handhaben. Größere, statisch mischende Durchflussreaktoren – einfache Rohre, Rohre mit Trennwänden und statische Mischer – verfügen über bessere Eigenschaften zur Handhabung von Feststoffen. Ihre Mischleistung, die notwendig ist, um die Feststoffe gleichmäßig dispergiert zu halten, ist direkt verbunden mit der axialen Geschwindigkeit im Rohr. Probleme entstehen an lokalen Verengungen, unbewegten Zonen oder bei Vorliegen eines transienten Strömungsverlustes. Statisch gemischte Reaktoren können Suspensionen mit unterschiedlichem Erfolgsgrad handhaben, aber ihre Anwendungen sind generell limitiert auf hohe Durchsätze und auf Feststoffe mit neutralem oder beinahe neutralem Auftrieb.

Ein dynamisch gemischter Reaktor fußt auf einer mechanischen Bewegung. Daher ist die Mischleistung nicht abhängig von der axialen Geschwindigkeit im Kanal. Dies gewährleistet ein gutes Mischen unabhängig von der Fließgeschwindigkeit und erlaubt die Nutzung von kurzen Kanälen mit großem Durchmesser. Diese Eigenschaften machen diese Systeme inhärent besser geeignet zur Handhabung von Feststoffen als statisch gemischte Systeme.

Ein kontinuierlich gerührter Rührkessel (CSTR) mit kontinuierlicher Zu- und Abführung ist ein Beispiel für einen dynamisch gemischten kontinuierlichen Reaktor. Ein einzelner CSTR hat jedoch den Nachteil einer starken Rückvermischung und die Verweilzeit ist nur sehr schlecht zu kontrollieren. Dies reduziert die Nutzbarkeit und Anwendbarkeit des Reaktors, da reagiertes und nicht reagiertes Material nicht in zeitlich geordneter Weise abgeführt werden. Für viele Arten von Reaktionen haben Rückvermischung und schlechte Verweilzeitkontrolle einen erheblichen und nachteiligen Einfluss auf Ausbeute, Qualität und Reaktorgröße. Bei Verwendung von mehreren CSTR in einer Reihenanordnung können jedoch Rückvermischung und schlechte Verweilzeitkontrolle überwunden werden.

Während dynamisch mischende Durchflussreaktoren schon inhärent besser Feststoffe handhaben, sind die Konstruktionsprobleme für das Befestigen von rotierenden Mischelementen in Mehrstufensystemen oder horizontalen Rohren anspruchsvoll und erhöhen erheblich die Komplexität und die Kosten für den Reaktor. Im Fall von rohrförmigen Systemen ist eine horizontale Befestigung notwendig, um Rückvermischung und Phasentrennung zu minimieren. Rotierendes Mischen hat zudem die Tendenz, eine zentrifugale Trennung zu begünstigen, was nicht wünschenswert ist, wenn Materialien mit unterschiedlichen Dichten verarbeitet werden.

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