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Achema-Vorschau 16 5 2024 Die Transformation der chemischen und pharmazeutischen Industrie erfolgt prozesstechnisch in Reaktoren Fermentern und Anlagen – Neuentwicklungen sind hier gefragt Die chemische Reaktionstechnik liegt an der Schnittstelle zwischen Chemie und Verfahrenstechnik Wer vom Scaleup von Prozessen von der Elektrifizierung oder vom Einsatz von Wasserstoff spricht muss die Reaktionstechnik automatisch mitdenken Sie bestimmt die Reaktionsbedingungen regelt was wann wo stattfindet sorgt für Energieeffizienz und beeinflusst die Produkteigenschaften Drei Trends machen sich nach Ansicht von Experten derzeit in der Reaktionstechnik besonders bemerkbar auf einem grundlegenden Verständnis von Reaktoren und Reaktionen basierende integrierte Produktund Prozessauslegung Prozessdiagnostik auf der Grundlage von Modellen Operando-Untersuchungen und Prozess daten Elektrifizierung chemischer Prozesse und die elektrochemische und chemische Energiespeicherung im großen Maßstab Vom Labor zum industriellen Prozess Immer häufiger wird ein möglichst lückenloser Weg von der ersten Idee über den Laborreaktor bis zum großskaligen Prozess gesucht um Engpässe beim Scaleup zu vermeiden und neue Verfahren schnell in die Anwendung zu bringen Dabei helfen diverse diagnostische und Modellierungsmethoden Schon im Labormaßstab sind die Reaktoren umfangreich instrumentiert so dass eine genaue Kontrolle über die Reaktionsbedingungen wie Temperatur Partialdrücke Durchlaufzeiten etc gegeben ist Hinzu kommen leicht konfigurierbare Systeme zur Prozessautomatisierung um die häufig parallelisiert installierten Reaktoren auch über längere Zeiträume automatisiert betreiben zu können Die automatische Datenerfassung und -verarbeitung erleichtert die Interpretation der experimentellen Ergebnisse und bildet die Basis für die durchgängige Skalierung der Prozesse Je genauer die Stöchiometrie Thermodynamik Kinetik Transportphänomene und relevante Sicherheitsdaten bekannt sind desto besser lässt sich die Leistungsfähigkeit des Prozesses im industriellen Maßstab vorhersagen Aus diesen Parametern lassen sich Reaktionszeiten und Stromoder Wärmebedarf bzw -erzeugung berechnen Bezieht man die Transportprozesse mit ein lässt sich der Reaktor so gestalten dass die Reaktion sicher und mit hohen Ausbeuten durchgeführt werden kann Dafür sind Miniplant-Studien unerlässlich denn für die Prozessgestaltung und -analyse müssen auch Recycling-Ströme sowie der Betrieb unter Teillast und während des Anund Abfahrens der Reaktion berücksichtigt werden Mit Hilfe eines guten Modells kann der Prozess dann direkt in die Produktionsanlage gebracht werden In der Praxis wird allerdings häufig eine Pilotanlage zwischengeschaltet um die Risiken beim Scaleup zu reduzieren Großer Prozess in kleinen Strukturen? Nicht immer ist das Ziel ein möglichst großer Reaktor Das zeigt ein weiterer wichtiger Forschungstrend die Flow Chemistry Sie eröffnet neue Wege für katalytische Reaktoren und Produktionstechniken Nanopartikel und andere funktionale Materialien lassen sich in mikrofluidischen Reaktoren mit genau definierten Eigenschaften herstellen Solche Reaktoren ermöglichen außerdem einen besseren Wärmeund Stofftransport Mikrostrukturierte Reaktoren zeichnen sich durch innenliegende Strukturen von zehn bis zu mehreren Tausend Mikrometern aus In solchen Strukturen lassen sich Flüssigkeiten innerhalb von Millisekunden erhitzen oder abkühlen Derzeit werden auch mikrostrukturierte Produktionsanlagen entwickelt zum Beispiel um mit erneuerbarer Energie synthetische Kohlenwasserstoffe oder hochwertige Powerto-X-Chemikalien herzustellen Dank ihrer sehr guten Wärmeübertragung ermöglichen sie hohe Raum-Zeit-Ausbeuten bei hoher Selektivität definierten Produkteigenschaften und langer Katalysator-Lebensdauer Sind sie dazu modular aufgebaut und können schnell hochund heruntergefahren werden sind sie für den dezentralen Einsatz am Ort der Energieerzeugung besonders interessant Mehrere Unternehmen denken deshalb schon weiter Sie wollen mikrostrukturierte Reaktoren nicht nur in der Entwicklung einsetzen sondern zu kommerziellen Produktionsanlagen ausbauen Die Entwicklungen bei den mikrostrukturierten Reaktoren in den letzten Jahren haben gezeigt Trendbericht zur Achema Chemische Reaktionstechnik www labo de Bild Ser ge y Ryz ho v st oc k ad ob e co m