Technika reakcji chemicznych i jej rola w procesie transformacji

© AdobeStock/179268256/Ivan Traimak

© AdobeStock/408311903/Sergey Ryzhov

© AdobeStock/261545234/Grispb

© AdobeStock/394872322/gen_A

Technika reakcji chemicznych leży na styku chemii i inżynierii procesowej. Kto mówi o skalowaniu procesów, elektryfikacji lub zastosowaniu wodoru, musi automatycznie myśleć o technice reakcji: to ona określa warunki reakcji, reguluje, co kiedy i gdzie się dzieje, zapewnia efektywność energetyczną i wpływa na właściwości produktów.

Trzy trendy, zdaniem ekspertów, obecnie szczególnie wyróżniają się w technice reakcji:

– opierające się na podstawowym zrozumieniu reaktorów i reakcji zintegrowane projektowanie produktu i procesu
– diagnostyka procesowa oparta na modelach, badania operando i dane procesowe
– elektryfikacja procesów chemicznych oraz elektrochemiczne i chemiczne magazynowanie energii na dużą skalę.

Nowe metody diagnostyczne, lepsze zrozumienie procesów i dostosowane do nich wytwarzanie reaktorów i komponentów, na przykład przy użyciu druku 3D, umożliwiają dostarczanie nowego sprzętu spełniającego wymagania wynikające z innowacyjnych procesów.

Od laboratorium do procesu przemysłowego

Coraz częściej poszukuje się możliwie bezszczelnej ścieżki od pierwszego pomysłu, przez reaktor laboratoryjny, do dużej skali procesu, aby uniknąć wąskich gardeł podczas skalowania i szybko wprowadzić nowe metody do zastosowania. W tym pomagają różne metody diagnostyczne i modelowania. Już na etapie laboratorium reaktory są szeroko instrumentowane, co zapewnia dokładną kontrolę warunków reakcji, takich jak temperatura, ciśnienie parcjalne, czas przepływu itp. Do tego dochodzą łatwe w konfiguracji systemy automatyzacji procesów, umożliwiające zautomatyzowaną pracę reaktorów często instalowanych równolegle, także na dłuższych odcinkach czasowych. Automatyczne zbieranie i przetwarzanie danych ułatwia interpretację wyników eksperymentalnych i stanowi podstawę do ciągłego skalowania procesów.

Im dokładniej znane są stechiometria, termodynamika, kinetyka, zjawiska transportowe i istotne dane bezpieczeństwa, tym lepiej można przewidzieć wydajność procesu na skalę przemysłową. Z tych parametrów można obliczyć czas reakcji oraz zapotrzebowanie na prąd lub ciepło, a także ich wytwarzanie. Uwzględniając procesy transportowe, można zaprojektować reaktor tak, aby reakcja przebiegała bezpiecznie i z wysoką wydajnością. Nieodzowne są w tym celu studia na małych skalach, ponieważ dla projektowania i analizy procesu konieczne jest uwzględnienie także recyklingu strumieni, pracy w warunkach częściowego obciążenia oraz podczas uruchomienia i wyłączenia reakcji. Przy pomocy dobrego modelu można bezpośrednio wprowadzić proces do linii produkcyjnej. W praktyce często stosuje się jednak pomostową instalację pilotażową, aby zmniejszyć ryzyko podczas skalowania.

Duży proces w małych strukturach?

Nie zawsze celem jest jak największy reaktor. Dowodzi tego kolejny ważny trend badawczy – chemia przepływowa. Otwiera ona nowe możliwości dla katalitycznych reaktorów i technik produkcji. Nanocząstki i inne materiały funkcjonalne można wytwarzać w mikroreaktorach o precyzyjnie określonych właściwościach. Takie reaktory umożliwiają także lepszy transport ciepła i substancji. Mikrostrukturalne reaktory charakteryzują się strukturami wewnętrznymi o wymiarach od dziesięciu do kilku tysięcy mikrometrów. W takich strukturach można w ciągu milisekund podgrzewać lub chłodzić płyny.

Obecnie rozwijane są także mikrostrukturalne instalacje produkcyjne, na przykład do wytwarzania syntetycznych węglowodorów lub wysokiej jakości chemikaliów Power-to-X przy użyciu energii odnawialnej. Dzięki doskonałej wymianie ciepła umożliwiają wysokie wydajności przestrzenne i czasowe przy wysokiej selektywności, precyzyjnie zdefiniowanych właściwościach produktów i długiej żywotności katalizatorów. Jeśli są modułowe i można je szybko uruchamiać i wyłączać, są szczególnie interesujące do zastosowań lokalnych, w miejscu produkcji energii. Kilka firm, w tym Ineratec, już myśli dalej: chcą nie tylko używać mikroreaktorów w rozwoju, lecz także rozwijać je do komercyjnych instalacji produkcyjnych.

Rozwój mikrostruktur reakcyjnych w ostatnich latach pokazał, że intensyfikacja wymiany ciepła w procesach produkcyjnych była głównie ograniczona do systemów jednofazowych, choć napędzana również przez nie. W zasadzie mikrostrukturalne reaktory można także stosować w systemach wielofazowych. Efekty takie jak napięcie powierzchniowe, zwilżanie czy nierównomierne zachowanie przepływu w równoległych kanałach utrudniają przemysłowe zastosowanie mikroreaktorów.

Do dużej produkcji potrzebna jest zintegrowana koncepcja skalowania, zapewniająca odpowiedni przepływ, przy minimalnym zwiększeniu średnicy kanałów. W ten sposób zachowuje się zalety techniki mikroreakcji, takie jak wysoka mieszalność, doskonały transfer ciepła i precyzyjna kontrola procesu. Oczekiwany przepływ można osiągnąć na przykład przez równoległe połączenie kanałów z kolektorem kanałów w reaktorze.

Shaoxing Eastlake Hi-Tech Co. Ltd. uruchomiła w 2016 roku w Chinach pierwszy dużej skali reaktor produkcyjny oparty na mikroreakcji do wytwarzania składnika do zastosowań rolniczych. Obecnie trzy takie reaktory pracują ciągle, z łączną wydajnością 30 000 t/rok.

Między reaktorem cylindrycznym a procesami hybrydowymi

Rozwój nowych procesów i technik aparaturowych do budowy reaktorów chemicznych idą ramię w ramię. Obecnie oferta aparatów i projektów reaktorów jest tak szeroka jak portfolio produktów chemicznych. Ze względu na swoją elastyczność, reaktor cylindryczny wciąż jest najpowszechniejszym typem reaktora. Jednak zakres technologii obejmuje od klasycznych reaktorów z ławą stałą z roztopioną solą lub chłodzeniem odparowania, przez wymienniki ciepła, kolumny bąbelkowe, reaktory strumieniowe, dysze, reaktory fluidalne, aż po wysokotemperaturowe i bardziej złożone urządzenia, takie jak mikrostrukturalne, elektrochemiczne i mieszalne reaktory, a także systemy hybrydowe, takie jak destylacja reaktywna, ekstrakcja czy mycie gazowe.

Chociaż reaktor cylindryczny jest jednym z najstarszych projektów reaktorów chemicznych, jest on nadal stale udoskonalany. Na przykład dla „wnętrza” emaliowanych reaktorów cylindrycznych opracowano nowe rozwiązania, takie jak elastyczne wyłączniki prądu i inne modyfikacje, które znacznie poprawiły elastyczność i efektywność energetyczną systemów gazowo-cieczowych, mimo ograniczeń systemów emaliowanych.

Aby zwiększyć wymianę ciepła, można wprowadzić do reaktora cylindrycznego płyty wymiennika ciepła, które oferują większą powierzchnię wymiany niż wewnętrzne spirale wymiennika. Umożliwia to lepszą kontrolę reakcji egzotermicznych, takich jak hydrogeneracje zawiesin. Reaktory z kąpielą solną to konwencjonalne reaktory z ławą stałą do egzotermicznych, heterogenicznych reakcji katalitycznych w fazie gazowej przy wysokich temperaturach, stosowane np. w reakcjach częściowego utleniania, np. w syntezie kwasu akrylowego.

Gdy wymagania dotyczące wymiany ciepła lub kontroli temperatury są wyższe, można zastosować tzw. wymienniki ciepła. Opierając się na wymiennikach płytowych lub rurowych, umożliwiają one bardzo wysokie tempo wymiany ciepła dla systemów jednofazowych.

Wyzwania z zastosowania

Nowe procesy przemysłowe, zmiany w bazie energetycznej i surowcowej oraz dążenie do opłacalności będą stanowić wyzwania dla techniki reakcji także w najbliższych latach. Szczególnie w obliczu trendów ku biobazowanym i recyklingowanym surowcom, których skład i właściwości fizyczne znacznie się różnią od konwencjonalnych surowców petrochemicznych, i które zwykle zawierają więcej zanieczyszczeń, reaktory muszą być z jednej strony jak najbardziej zoptymalizowane, z drugiej zaś wystarczająco odporne, aby radzić sobie z zmieniającymi się wymaganiami.

Niektóre procesy biotechnologiczne wymagają dużych objętości reaktorów powyżej 1000 m³ oraz wysokich, specyficznych szybkości transferu masy. Dla konwencjonalnego systemu wentylacji potrzebne są wtedy silniki o mocy przekraczającej 10 MW, co jest trudne do zrealizowania mechanicznie. Rozwój hybrydowych technologii napowietrzania i nowych metod odprowadzania ciepła może pomóc w szybszym wprowadzaniu takich procesów do przemysłu.

W produkcji nowych terapii genowych i komórkowych, które są wysoce spersonalizowane, wszystkie etapy reakcji powinny odbywać się możliwie blisko punktu opieki (Point-of-Care) – fabryka farmaceutyczna w kompaktowej, mobilnej „skrzyni” byłaby tu potencjalnym celem.

Tak różnorodne zastosowania i tak innowacyjne rozwiązania, jakie opracowują technicy reakcji i dostawcy urządzeń i instalacji, sprawiają, że w nadchodzących latach można oczekiwać jeszcze wielu nowości i postępów.

Ten raport trendów ACHEMA opiera się na Roadmapie Chemical Reaction Engineering, 3. wydanie 2023, https://dechema.de/Roadmap_Reaction_Engineering-path-123211,124930.html