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Einsatz von Mikrowellen undUltraschall in der Reaktionstechnik

D R . - I N G . D . B A T H E N (Vortragender),

P R O F . D R . - I N G . H . S C H M I D T - T R A U B

Lehrstuhl fuÈ r Anlagentechnik, Fachbereich Chemietechnik,UniversitaÈ t Dortmund, D-44221 Dortmund,E-mail: bathen@ct.uni-dortmund.de

Energie wird in verfahrenstechnischen Prozessen in der Regeldurch WaÈ rmeuÈ bertragung an begrenzenden WaÈ nden oder durchdirekte Vermischung von StroÈ men unterschiedlicher TemperaturzugefuÈ hrt. Der indirekte WaÈ rmeuÈ bergang ist mit dem Problem ver-bunden, dass Temperaturfelder den Prozess beeintraÈ chtigen undmaximale Temperaturgradienten den WaÈ rmestrom limitieren.Die Mischung von StroÈ men fuÈ hrt zur VerduÈ nnung der Produkteund erfordert nachgeschaltete Trennoperationen.

Eine Alternative zu den herkoÈmmlichen Methoden desEnergieeintrags bieten nicht materiegebundene EnergietraÈ ger wieelektromagnetische und mechanische Wellen. FuÈ r verfahrenstech-nische Anwendungen besonders interessant sind Mikrowellen undUltraschall.

Mikrowellen sind elektromagnetische Hochfrequenz-wellen, die in Materie volumetrisch zu thermischer Energie dissi-piert werden. Ihre Anwendung im Haushalt ist allgemein bekannt.FuÈ r die Verfahrenstechnik bieten sie interessante Anwendungenverbunden mit einem zusaÈ tzlichen Freiheitsgrad fuÈ r die Betriebs-

fuÈ hrung. Beispiele sind die Mikrowellendesorption, die organischeSynthesechemie und die Herstellung von Solarsilicium durch mi-krowellenunterstuÈ tzte Pyrolyse von Silan. Maûgeblich fuÈ r dieguÈ nstige Beeinflussung chemischer Reaktionen durch Mikrowel-len ist die volumetrische Energiezufuhr, wobei nicht endguÈ ltig ge-klaÈ rt ist, ob ein zusaÈ tzlicher Mikrowelleneffekt auftritt. Die Dimen-sionierung von Mikrowellenreaktoren ist z. Z. noch ein Problem, dadas Verhalten der Mikrowellen und damit die Effizienz des Prozes-ses entscheidend von den nichtlinearen (und teilweise unbekann-ten) dielektrischen Eigenschaften der Prozessmedien abhaÈngt.

Bei Ultraschall handelt es sich um mechanische Wellen,die lokal sehr hohe Energiedichten erzeugen, indem in einer FluÈ s-sigkeit zunaÈ chst Blasen entstehen, die anschlieûend implodieren.Hierbei koÈnnen lokal Temperaturen bis zu ca. 5000 K und DruÈ ckeuÈ ber 100 bar auftreten. FuÈ r die Reaktionstechnik werden entwederdie bei hohen Frequenzen auftretenden radikalischen Effekte oderdie bei niedrigen Frequenzen dominierenden mechanischen Ef-fekte ausgenutzt. Letztgenannte dienen u. a. zur Reaktivierungvon Katalysatoren oder zur Minderung von Stofftransportwider-staÈnden durch staÈ rkere Durchmischung eines Fluids. Der Scaleup von Laborexperimenten setzt jedoch analog zur Mikrowellen-technik eine sorgfaÈ ltige Analyse der jeweiligen Betriebsbedingun-gen voraus.

Im Rahmen des Vortrages werden nach einer kurzenDarstellung der Grundlagen der Mikrowellen- und Ultraschall-technik beispielhafte Anwendungen dieser Technologien in derReaktionstechnik (wie die oben genannte mikrowellengestuÈ tzteSilanpyrolyse und die sonochemische Synthese von Grignard-Rea-genzien) erlaÈutert, s. Abbildung. Den Schwerpunkt bilden hierbeinicht detaillierte Beschreibungen dieser Prozesse, sondern allge-mein guÈ ltige Aussagen uÈ ber die verfahrenstechnischen Potenzialeund Grenzen der Ultraschall- und der Mikrowellentechnik.

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Mikrowellen in der Synthesechemieim Vormarsch ± Zustandanalyseund Ausblick

B E R N D O N D R U S C H K A (Vortragender), M A T T H I A S N Û C H T E R

Institut fuÈ r Technische Chemie und Umweltchemie,Friedrich-Schiller-UniversitaÈ t Jena, Lessingstraûe 12,D-07743 Jena, e-mail: c7onbe@rz.uni-jena.de;

W E R N E R L A U T E N S C H L Ø G E R

MLS GMBH, Auenweg 27, D-88299 Leutkirch.

Der Schritt von der herkoÈ mmlichen chemischen Synthese zur Mi-krowellen (MW)-assistierten Synthese wurde in vielen Laborbei-spielen erfolgreich vollzogen. Der gewichtigere Schritt zum MW-assistierten Verfahren im kleinen und mittleren industriellen Maû-stab ist theoretisch schon machbar, wurde aber (vermutlich) nochnicht praktisch verwirklicht.

Es ist keinesfalls sinnvoll, bestehende Anlagen, dieklassisch marktgaÈ ngige Produkte herstellen, mit hohem Investiti-onsaufwand umzustellen. Hier vor allem liegen die Chancen u. a.des Mikrowellen-Processings: Reaktionen bzw. ReaktionsfuÈ hrun-

Abbildung.8-kW-Mikrowellen-Wirbelschichtreaktor mit Frequenz2,45 GHz (Foto aus: T. G E R D E S, R . TA P ¹Mikrowellenbehei-zung von Wirbelschichtenª, in D. B AT H E N , H . S C H M I D T- T R A U B

¹Innovative EnergietraÈ ger in der Verfahrenstechnikª, Shaker-Verlag, Aachen 2000).

977M i k r o w e l l e nChemie Ingenieur Technik (72) 9 I 2000