Chemická reakční technika a její role v průběhu transformace

© AdobeStock/179268256/Ivan Traimak

© AdobeStock/408311903/Sergey Ryzhov

© AdobeStock/261545234/Grispb

© AdobeStock/394872322/gen_A

Technologie chemické reakce leží na rozhraní mezi chemií a procesním inženýrstvím. Kdo mluví o škálování procesů, elektrifikaci nebo použití vodíku, musí automaticky myslet na technologii reakce: určuje reakční podmínky, řídí, co se kdy a kde děje, zajišťuje energetickou účinnost a ovlivňuje vlastnosti produktů.

Tři trendy podle názoru expertů v současnosti v technologii reakce zvlášť výrazně vystupují:

– na základě základního pochopení reaktorů a reakcí založené integrované návrhy produktů a procesů
– diagnostika procesů na základě modelů, operando vyšetření a procesových dat
– elektrifikace chemických procesů a elektrochemické a chemické ukládání energie ve velkém měřítku.

Nové diagnostické metody, lepší pochopení procesů a na míru šité výroby reaktorů a komponent například s pomocí 3D tisku umožňují poskytovat nové zařízení, které splňuje požadavky vyplývající z inovativních procesů.

Od laboratoře k průmyslovému procesu

Stále častěji se hledá co nejplynulejší cesta od první myšlenky přes laboratorní reaktor až po velkoprostorový proces, aby se zabránilo problémům při škálování a rychleji se uváděly nové postupy do praxe. K tomu pomáhají různé diagnostické a modelovací metody. Reaktory již v laboratoři bývají rozsáhle instrumentovány, takže je možné přesně kontrolovat podmínky reakce, jako je teplota, parciální tlaky, průchodové časy apod. Přidávají se snadno konfigurovatelné systémy pro automatizaci procesů, aby bylo možné automaticky provozovat i paralelně instalované reaktory po delší dobu. Automatické sběr dat a jejich zpracování usnadňují interpretaci experimentálních výsledků a tvoří základ pro kontinuální škálování procesů.

Čím přesnější jsou znalosti o stechiometrii, termodynamice, kinetice, transportních jevech a relevantních bezpečnostních údajích, tím lépe lze předpovědět výkon procesu na průmyslové úrovni. Z těchto parametrů lze vypočítat reakční časy a spotřebu či tvorbu elektrické či tepelné energie. Pokud se započtou transportní procesy, lze reaktor navrhnout tak, aby reakce probíhala bezpečně a s vysokou výtěžností. Nezbytné jsou studie miniplantů, protože pro návrh a analýzu procesu je nutné zohlednit i recyklační toky a provoz při částečném zatížení a během náběhu a odstávky reakce. S pomocí dobrého modelu lze proces přímo začlenit do výrobní linky. V praxi je však často zařazena zkušební pilotní zařízení, které pomáhá snížit rizika při škálování.

Velký proces v malých strukturách?

Ovšem ne vždy je cílem co největší reaktor. To ukazuje další důležitý výzkumný trend, chemie v mikrostruktuře. Otevírá nové cesty pro katalytické reaktory a výrobní techniky. Nanopartikly a jiné funkční materiály lze vyrábět v mikrofluidních reaktorech s přesně definovanými vlastnostmi. Takové reaktory umožňují také lepší přenos tepla a látek. Mikrostrukturní reaktory se vyznačují vnitřními strukturami od desítek do několika tisíc mikrometrů. V takových strukturách lze kapaliny rychle ohřívat nebo chladit během milisekund.

V současnosti jsou také vyvíjeny mikrostrukturní výrobní zařízení, například pro výrobu syntetických uhlovodíků nebo vysoce kvalitních chemikálií Power-to-X s využitím obnovitelné energie. Díky vynikajícímu přenosu tepla umožňují vysoké výtěžnosti v prostoru a čase, vysokou selektivitu, přesně definované vlastnosti produktů a dlouhou životnost katalyzátorů. Pokud jsou modulárně konstruovány a lze je rychle zapínat a vypínat, jsou zvlášť zajímavé pro decentralizované použití přímo na místě výroby energie. Několik firem, včetně Ineratec, proto již uvažuje o rozšíření mikrostrukturních reaktorů nejen do vývoje, ale i do komerční výroby.

Vývoj mikrostrukturních reaktorů v posledních letech ukázal, že intenzifikace výměny tepla v výrobních procesech byla především omezená na jednofázové systémy, ale byla i poháněna právě těmito. V zásadě lze mikrostrukturní reaktory využít i pro vícefázové systémy. Efekty jako povrchové napětí, moknutí nebo nerovnoměrné chování kapalin v paralelních kanálech komplikují jejich průmyslové použití.

Pro velkoprostorovou výrobu je nutná integrovaná koncepce škálování, která zajistí potřebný průtok, přičemž průměr kanálů bude pouze minimálně zvětšen. Tak zůstanou zachovány výhody mikroreaktorové techniky, jako je vysoká míra promíchání, vynikající přenos tepla a cílená kontrola procesu. Požadovaný průtok lze například dosáhnout paralelním připojením kanálů k kanálovému svazku v reaktoru.

Shaoxing Eastlake Hi-Tech Co. Ltd. v roce 2016 v Číně zprovoznila první velkokapacitní výrobní reaktor založený na mikroreaktorové technice pro výrobu složky určené pro zemědělské použití. Nyní tři z těchto reaktorů pracují nepřetržitě s celkovým výrobním objemem 30 000 t/rok.

Mezi šroubovým kotlem a hybridními postupy

Vývoj nových procesů a vývoj zařízení pro stavbu chemických reaktorů jde ruku v ruce. Dnes je nabídka zařízení a návrhů reaktorů tak široká jako portfolio chemických zařízení. Díky své flexibilitě je šroubový kotel stále nejrozšířenějším typem reaktoru. Ovšem spektrum technologií sahá od klasických pevných reaktorů s taveninou soli nebo odpařovacími chladiči přes výměníkové reaktory, bublinkové kolony, tryskací reaktory, tryskové a pevnolátkové reaktory až po vysokoteplotní reaktory a složitější zařízení, jako jsou mikrostrukturní, elektrochemické a míchací reaktory či hybridní systémy, například reaktivní destilace, extrakce nebo plynové myčky.

Ačkoliv je šroubový kotel jedním z nejstarších chemických návrhů reaktorů, stále se průběžně zlepšuje. Například pro „vnitřní život“ smaltovaného šroubového kotle byly vyvinuty nové řešení, jako flexibilní přerušovače proudu a další modifikace, které výrazně zlepšily flexibilitu a energetickou účinnost plynových a kapalných systémů, a to navzdory jiným omezením smaltovaných systémů.

Pro zvýšení výměny tepla lze do šroubového kotle vložit výměníkové desky, které nabízejí větší výměnné plochy než vnitřní výměníkové smyčky. Tak lze lépe řídit exotermické reakce, například hydrogenerace suspenzí. Solné lázně jsou tradiční pevné reaktory pro exotermické heterogenní katalytické reakce v plynných fázích při vysokých teplotách. Používají se například při částečných oxidacích, například při syntéze akrylové kyseliny.

Pokud jsou požadavky na výměnu tepla nebo řízení teploty vyšší, lze použít takzvané výměníkové reaktory. Na základě deskových nebo trubkových výměníků umožňují velmi vysoké rychlosti výměny tepla u jednofázových systémů.

Výzvy z praxe

Nové průmyslové procesy, změny v energetické a surovinové základně a snaha o ekonomičnost budou i v nadcházejících letech představovat výzvy pro technologii reakce. Především s ohledem na trendy směrem k biobazovaným a recyklovaným surovinám, jejichž složení a fyzikální vlastnosti se výrazně liší od konvenčních petrochemických surovin a často obsahují více nečistot, musí být reaktory na jedné straně co nejvíce optimalizované, na druhé straně však dostatečně robustní, aby zvládly měnící se požadavky.

Některé biotechnologické procesy vyžadují velká reaktorová objemy přesahující 1 000 m³ a zároveň vysoké specifické rychlosti přenosu hmoty. Pro konvenční větrací systémy je pak potřeba výkon motorů přesahující 10 MW, což je technicky náročné. Vývoj hybridních technologií větrání a nové způsoby odvodu tepla by mohly pomoci urychlit zavádění takových postupů do praxe.

U výroby nových genových a buněčných terapií, které jsou silně individualizované, by měly být všechny reakční kroky co nejblíže místu péče – ideálně v kompaktním mobilním „skříňovém“ zařízení, což by bylo možné považovat za cíl.

Jak jsou aplikace různorodé, tak jsou i inovativní řešení, která vývojáři reakcí navrhují a zařízení a závody zajišťují jejich vybavením. V následujících letech lze od tohoto odvětví očekávat mnoho novinek vzhledem k množství nových technologií a řešení.

Tento trendový přehled ACHEMA je založen na Roadmapě chemického reakčního inženýrství, 3. vydání 2023, https://dechema.de/Roadmap_Reaction_Engineering-path-123211,124930.html