Permuurahaishapon valmistaminen putkireaktorissa

Työn tavoitteena oli suunnitella ja mitoittaa permuurahaishapon valmistukseen käytettävä putkireaktori. Reaktorin kapasiteetiksi asetettiin 100 kg/h puhdasta tuotetta. Permuurahaishappo on hyvin herkkä reagoimaan ja voi konsentroituina pitoisuuksina räjähtää huoneenlämmössäkin spontaanisti. Tästä syystä suunnittelun lähtökohdaksi asetettiin 10 % konversio, jolloin permuurahaishapon osuudeksi tuotevirrasta saadaan noin 6 p-%. Reaktorin viipymäajaksi määritettiin 680 sekuntia. Reaktoriputken sisähalkaisijaksi määritettiin ISO-standardin DN 40 mukainen halkaisija. Putken sisäpinnan pinnoitteeksi valittiin polytetrafluorieteeni ja pinnoitteen paksuudeksi 0,127 mm. Reaktorin tilavuudeksi laskettiin 0,25 m3, jolloin reaktioputken pituudeksi saatiin 170 metriä. Reaktio-olosuhteiden homogenisoimiseksi poikkileikkauksen alalla laskettiin tarvittavien staattisten sekoittimien määrä. Sekoitintyypiksi valittiin Sulzerin SMV-malli, joita tarvitaan yhteensä 531 elementtiä. Työssä tarkasteltiin myös putkireaktorin lämmönsiirtoa.

Permuurahaishapon valmistaminen mikroreaktorissa

Kandidaatintyön teoriaosassa perehdytään mikroreaktoreihin sekä niiden etuihin ja haasteisiin. Lisäksi esitellään lyhyesti, kuinka sekoitus näissä reaktoreissa voidaan järjestää erilaisten sekoituselementtien avulla sekä uusien ainetta lisäävien valmistusmenetelmien tarjoamat mahdollisuudet reaktorien valmistukselle. Mikroreaktorien edut liittyvät pääasiassa prosessin helpompaan hallittavuuteen, mikä johtaa mm. turvallisuuden lisääntymiseen ja energiasäästöihin. Lisäksi esitellään kokeellisessa osassa lähtöaineina käytettävät vetyperoksidi ja muurahaishappo, sekä tuotteena syntyvä permuurahaishappo ja sen käyttökohteita. Permuurahaishappoa käytetään mm. desinfiointiaineiden yhtenä komponenttina. Sitä voidaan käyttää myös paperikoneen vesikierron bakteerien tappamiseen. Epästabiiliutensa vuoksi permuurahaishappo voi räjähtää jopa huoneenlämmössä, mikä aiheuttaa merkittävän riskin sen varastoinnille ja kuljetukselle. Tästä syystä työssä tutkittu menetelmä permuurahaishapon valmistamiseksi mikroreaktorissa tarjoaa hyvän vaihtoehdon permuurahaishapon tuottamiseksi suoraan tarpeeseen. Kokeellisessa osassa permuurahaishappoa valmistettiin muurahaishaposta ja vetyperoksidista käyttäen rikkihappoa katalyyttinä reaktion nopeuttamiseksi. Lämpötilan ja viipymäajan vaikutusta tutkittiin permuurahaishapon muodostumiseen. Molempien nosto vaikutti edullisesti permuurahaishapon saantoon, mutta lämpötilan nosto lisää samalla räjähdysriskiä. Mikroreaktorissa lämpötilan nosto on kuitenkin suhteessa turvallisempaa makroreaktoriin verrattuna.