Vegyi reakciótechnika és szerepe az átalakulás során

© AdobeStock/179268256/Ivan Traimak

© AdobeStock/408311903/Sergey Ryzhov

© AdobeStock/261545234/Grispb

© AdobeStock/394872322/gen_A

A kémiai reakciótechnika a kémia és a folyamattechnika határán helyezkedik el. Aki a folyamatok skálázásáról, az elektrifikációról vagy a hidrogén alkalmazásáról beszél, annak automatikusan figyelembe kell vennie a reakciótechnikát: ez határozza meg a reakciófeltételeket, szabályozza, hogy mikor és hol történjenek az események, biztosítja az energiahatékonyságot és befolyásolja a termékjellemzőket.

Három trendet emelnek ki a szakértők szerint jelenleg a reakciótechnikában:

– az reagensek és reakciók alapvető megértésén alapuló integrált termék- és folyamattervezés
– folyamatdiagnosztika modellek, operando vizsgálatok és folyamatadatok alapján
– az elektromosítás kémiai folyamatokban és az elektro-kémiai, valamint a nagy léptékű energiatárolás.

Új diagnosztikai módszerek, jobb folyamatmegértés és az egyedi reaktorok és alkatrészek gyártása például 3D nyomtatással lehetővé teszi új berendezések biztosítását, amelyek megfelelnek az innovatív folyamatok által támasztott követelményeknek.

A laboratóriumtól az ipari folyamatig

Egyre gyakoribb, hogy a lehető legzökkenőmentesebb útvonalat keresik az első ötlettől a laboratóriumi reaktoron át a nagy léptékű folyamatig, hogy elkerüljék a skálázási problémákat és gyorsan alkalmazásba vehessék az új eljárásokat. Ehhez különféle diagnosztikai és modellező módszerek nyújtanak segítséget. Már a laboratóriumi méretben a reaktorokat alaposan felszerelik, így pontos kontrollt lehet gyakorolni a reakciófeltételek felett, például hőmérséklet, részleges nyomás, átfutási idő stb. Emellett könnyen konfigurálható folyamatautomatizálási rendszerek segítik a párhuzamosan telepített reaktorok hosszabb távú automatizált működtetését. Az automatikus adatgyűjtés és -feldolgozás megkönnyíti a kísérleti eredmények értelmezését, és alapot teremt a folyamatok folyamatos skálázásához.

Minél pontosabban ismertek a sztöchiometria, termodinamika, kinetika, transzportjelenségek és a releváns biztonsági adatok, annál jobban megjósolható a folyamat ipari méretű teljesítőképessége. Ezekből a paraméterekből kiszámíthatók a reakcióidők, az áram- vagy hőigény. A transzportfolyamatok figyelembevételével a reaktor úgy alakítható ki, hogy a reakció biztonságosan és magas hozam mellett valósuljon meg. Ehhez elengedhetetlenek a miniplant tanulmányok, mivel a folyamattervezés és -elemzés során figyelembe kell venni a recirkulációs áramlásokat, a részterheléses működést és a reakció indítását és leállítását is. Egy jó modell segítségével a folyamat közvetlenül az üzembe helyezhető. A gyakorlatban azonban gyakran alkalmaznak pilotüzemet a skálázási kockázatok csökkentése érdekében.

Nagy folyamatok kis struktúrákban?

Nem mindig a lehető legnagyobb reaktor a cél. Ezt mutatja egy másik fontos kutatási trend, a Flow Chemistry. Ez új utakat nyit a katalitikus reaktorok és gyártási technológiák számára. Nanorészecskék és más funkcionális anyagok mikrofluidikus reaktorokban állíthatók elő pontosan meghatározott tulajdonságokkal. Ezek a reaktorok emellett jobb hő- és anyagtranszportot tesznek lehetővé. A mikrostruktúrált reaktorok belső struktúrái tíz-több ezer mikrométeres méretűek. Ilyen struktúrákban folyadékokat lehet néhány milliszekundum alatt melegíteni vagy hűteni.

Jelenleg mikrostruktúrált gyártóberendezéseket is fejlesztenek, például szintetikus szénhidrogének vagy magas értékű Power-to-X vegyszerek előállítására megújuló energiával. Kiváló hőátadási képességük révén magas tér-idő hozamokat érnek el magas szelektivitással, pontos termékjellemzőkkel és hosszú katalógus-élettartammal. Ha moduláris felépítésűek és gyorsan be- vagy kikapcsolhatók, különösen érdekesek decentralizált energia-előállítás helyszínén. Több vállalat, köztük az Ineratec, már továbbgondolja a mikrostruktúrált reaktorokat: nemcsak fejlesztés alatt állnak, hanem kereskedelmi gyártóberendezésekké kívánják fejleszteni őket.

A mikrostruktúrált reaktorok fejlesztése az elmúlt években megmutatta, hogy a hőcserék intenzifikálása elsősorban egypárhuzamos rendszerekre korlátozódott, de ezeket a mikrostruktúrák is hajtották. Alapvetően mikrostruktúrált reaktorokat többfázisú rendszerekhez is lehet alkalmazni. Olyan hatások, mint a felületi feszültség, nedvesítés vagy egyenetlen áramlási viselkedés párhuzamos csatornákban megnehezítik a mikroreaktorok ipari alkalmazását.

A nagy léptékű gyártáshoz integrált skálázási koncepcióra van szükség, amely biztosítja a szükséges áramlást anélkül, hogy a csatornák átmérője jelentősen növekedne. Így megőrizhetők a mikroreakciótechnika előnyei, mint a magas keveredési sebesség, a kiváló hőátadás és a célzott folyamatirányítás. A kívánt áramlási sebesség például a csatornák párhuzamos összekötésével érhető el a reaktorban.

A Shaoxing Eastlake Hi-Tech Co. Ltd. 2016-ban Kínában üzembe helyezte az első nagy volumenű mikroreakciótechnikán alapuló gyártóreaktort egy mezőgazdasági hatóanyag előállítására. Most már három ilyen reaktor folyamatosan működik, összesen évi 30 000 tonna kapacitással.

A keverőedényektől a hibrid eljárásokig

Az új folyamatok fejlesztése és az eszköztechnológia fejlődése kéz a kézben halad. Ma az eszközök és reaktortervek választéka olyan széles, mint a kémiai üzemek portfóliója. Rugalmassága miatt a keverőedény továbbra is a legelterjedtebb reaktortípus. Azonban a technológiák skálája a klasszikus szilárdágyú reaktortól, amely sóolvadék vagy párolgási hűtés alkalmazásával működik, egészen a hőcserélő reaktorok, haboszlopok, jetreaktorok, fúvóka- és áramlásos reaktorok, magas hőmérsékletű reaktorok és összetettebb eszközök, például mikrostruktúrált, elektro-kémiai és keverőreaktorok, valamint hibrid rendszerek, mint például az aktív desztilláció, extrakció vagy gázmosás.

Bár a keverőedény az egyik legrégebbi kémiai reaktortípus, folyamatosan fejlesztik. Például az emailesített keverőedények „belső” részéhez új megoldásokat, például rugalmas áramtörőket és más módosításokat fejlesztettek ki, amelyek jelentősen javítják a gáz-folyadék rendszerek rugalmasságát és energiahatékonyságát az emailesített rendszerek egyéb korlátai ellenére is.

Az energiaátadás növelése érdekében hőcserélő lapokat lehet beépíteni a keverőedénybe, amelyek nagyobb felületi területet kínálnak, mint a belső hőcserélő csövek. Így jobban ellenőrizhetők az exoterm reakciók, például a szuszpenziós hidrogénezés. A sófürdős reaktorok hagyományos szilárdágyú reaktorok, amelyek exoterm, heterogén katalitikus gázfázisú reakciókra alkalmasak magas hőmérsékleten. Például részleges oxidációkhoz, például akrilsav szintéziséhez használják.

Amennyiben a hőcserére vagy a hőmérséklet-szabályozásra támaszkodó igények magasabbak, alkalmazhatók ún. hőcserélő reaktorok. Platták vagy csőbündel hőcserélők alapján lehetővé teszik nagyon magas hőátadási sebességeket egypárhuzamos rendszerek esetén.

Az alkalmazás kihívásai

Az új ipari folyamatok, az energia- és nyersanyag-bázis változása, valamint a gazdaságosság iránti törekvés a reakciótechnikát a következő években is kihívások elé állítja. Különösen a biobázisú és újrahasznosított nyersanyagok irányába mutató trendek, amelyek összetétele és fizikai tulajdonságai jelentősen eltérnek a hagyományos petrochemiai nyersanyagoktól, és amelyek általában több szennyeződést tartalmaznak, megkövetelik, hogy a reaktorok egyrészt a lehető legjobban legyenek optimalizálva, másrészt pedig elég strapabíróak legyenek a változó követelményekhez való alkalmazkodáshoz.

Néhány biotechnológiai folyamat nagy, több mint 1000 m³-es reaktorokat igényel, miközben magas szintű tömegszállítási sebességeket kell elérni. Egy hagyományos szellőzőrendszerhez gyorsan több mint 10 MW motorerő szükséges, ami mechanikusan nehezen kivitelezhető. A hibrid szellőztetési technológiák fejlesztése és az új hőelvezetési módszerek segíthetnek ilyen eljárások gyorsabb ipari alkalmazásában.

A gen- és sejtterápiák gyártásában, amelyek erősen személyre szabottak, a lehető legkisebb helyen, közel a pont-ellátási helyhez kell végrehajtani minden reakciólépést – a gyógyszeripari gyár egy kompakt, mobil „ládában” lehetne a cél.

Amilyen sokféle alkalmazás, olyan innovatív megoldások születnek a reakciótechnikában, az eszköz- és berendezésgyártók pedig biztosítják a felszerelést. A következő években még sok várható az új fejlesztések terén.

Ez az ACHEMA trendjelentés a 2023-as 3. kiadású Kemiai Reakciótechnika Útmutató alapján készült, https://dechema.de/Roadmap_Reaction_Engineering-path-123211,124930.html