Dipl.-Ing. (FH) Matthias Mohr
Chemische Reaktionen erfordern einen zeitlich optimierten Ablauf, damit Qualität, Reproduzierbarkeit sowie eine kostengünstige Herstellung der Produkte gewährleistet werden können. Dieser Ablauf wird über die entsprechenden Prozessparameter sicher gestellt. Die Temperatur ist eine der wichtigsten Prozessführungsgrößen und entscheidend für die Qualität des Endproduktes. Um die gewünschten Temperaturen innerhalb des Reaktors, also im Produkt zu erreichen, muss eine gewisse Menge an Energie von einem Heiz- und Kühlsystem (Bild 1) zu- bzw. abgeführt werden. Dabei sind erhebliche Energieeinsparungen möglich, die jedoch den Vergleich von verschiedenen Konzepten voraussetzen.
Die Anforderungen an das Temperaturprofil sind vielfältig. Grundsätzlich sind bei chemischen Prozessen in einer Charge Heizen und Kühlen sowie Temperaturrampen über einen bestimmten Zeitabschnitt erforderlich und haben eine energetisch aufwendige Fahrweise zur Folge. Die Temperaturkurve (Bild 2) zeigt ein praktisches Beispiel der gewünschten Produkttemperatur innerhalb eines Batchreaktors (630 l). Die einzelnen Verfahrensschritte sind dabei:
- Produkt erhitzen auf 50 °C (15 min)
- Zugabe von Additiv 1 (30 min)
- Abkühlen auf -65 °C (100 min)
- Probenahme (1) Qualitätskontrolle
- Zugabe von Additiv 2 mit nachfolgender exothermer Reaktion bei einer n -60 °C
- Reaktionswärme: 9000 kJ in 30 min
- Aufheizen vom Produkt auf +20 °C
- Probenahme (2) Qualitätskontrolle
- Abkühlen auf -65 °C möglichst schnell
- Abfüllen des Produktes bei -65 °C innerhalb von drei Stunden
- Aufheizen des Behälters auf 110 °C zum Reinigen mit Aceton
Oft stehen am geplanten Produktionsstandort Energieschienen wie Sattdampf (6 barü), Kühlwasser (25 °C), Kühlsole sowie elektrische Energie zur Verfügung. In seltenen Fällen ist eine Versorgungsleitung mit flüssigem Stickstoff für Tiefkälteanwendungen vor Ort. Ob und in welchem Umfang diese Energieschienen genutzt werden, ist in vielen Fällen eine Frage der Investitionskosten. Grundsätzliche Anforderungen wie Temperaturkonstanz von ±1 K, nahtloser Übergang von Heizen auf Kühlen im gesamten Temperaturbereich und umgekehrt, kompakte Bauweise der Anlage, servicefreundlicher Aufbau, geringer Wartungsaufwand und hoher Qualitätsstandard sind selbstverständlich. Im Gegensatz dazu stehen in vielen Fällen die Anforderungen des Einkäufers, der geringe Investitionskosten, kurze Lieferzeiten fordert. Eine Energieeffizienzbewertung sowie eine Abschätzung der CO2-Emissionen einer Anlage wird selten während der Beschaffung in Betracht gezogen, um die Investitionskosten zu limitieren oder gar zu senken.
