Katalysatorrückgewinnung durch Filtration: Die fünf Anforderungen, die die Filterauswahl bestimmen

Die Katalysatorrückgewinnung durch Filtration ist der Fest-Flüssig-Trennschritt im Anschluss an eine katalytische Reaktion, und in der Fein- und Spezialchemie sowie in der pharmazeutischen und petrochemischen Produktion wiegt er schwerer als eine einfache Klärfiltration. Der Katalysator ist häufig das wertvollste Material im Behälter, die flüssige Phase ist oft brennbar oder toxisch, und die Feststoffe selbst können pyrophor sein. Eine allein nach Filterfläche ausgewählte Anlage kann das Klarheitsziel erreichen und den Katalysator dennoch in einem Zustand zurückgeben, der weder eine Wiederverwendung noch eine Regenerierung oder wirtschaftliche Rückgewinnung zulässt.

Worin unterscheidet sich die Katalysatorrückgewinnung von einer gewöhnlichen Klärfiltration?

Der Katalysatorbetrieb stellt fünf Anforderungen gleichzeitig, und nur wenige Filtertypen erfüllen sie alle. Das System muss geschlossen sein, denn Katalysatoren wie Raney-Nickel sowie Palladium oder Platin auf Kohle sind pyrophor, und viele Reaktionslösungsmittel sind brennbar oder toxisch. Der Katalysator muss aus derselben Prozesseinheit rückgewinnbar sein, die die Filtration durchgeführt hat, entweder als Suspension oder als feuchttrockener Feststoff, ohne Umfüllen in einen zweiten Behälter. Der Filterkuchen muss vor dem Austrag waschbar sein, damit die Mutterlauge verdrängt wird und weder gelöstes Produkt noch Katalysatorwert mit dem Feststoff verloren geht. Das Filtermedium muss einen Kuchen ohne Anschwemmschicht oder Body Feed aufbauen, da sich Filterhilfsmittel mit dem zurückgewonnenen Katalysator vermischt und die Aufarbeitung erschwert. Korrosionsbeständigkeit muss über ein breites Spektrum an Chemien gewährleistet sein, was über Filterelemente und Filtertücher aus Polymeren in Kombination mit einem auf die Anwendung abgestimmten Behältermaterial erreicht wird.

Wie beeinflussen die Partikeleigenschaften des Katalysators die Filterauswahl?

Partikelgröße und Suspensionsverhalten bestimmen die Filterauswahl zuverlässiger als die Bezeichnung des Katalysators. Ein Filter zur Katalysatorrückgewinnung muss sehr feine Feststoffe aus dem Filtrat zurückhalten und zugleich einen Kuchen aufbauen, der sich am Zyklusende sauber ablöst. Die Filtratklarheit ist in der Katalysatorfiltration meist die bindende Spezifikation, denn stromabwärts mitgeführter Katalysator beeinträchtigt die Produktreinheit, erhöht das Verschmutzungsrisiko und macht einen zusätzlichen Polierschritt erforderlich. Restfeststoffe unter 3 ppm sind im Katalysatorbetrieb erreichbar, auch in organischen Flüssigphasen, wobei das erreichte Niveau vom Katalysator, vom Träger und von der Flüssigkeit abhängt. Die Partikelgröße verändert sich zudem über die Lebensdauer des Katalysators, da Pumpenbeanspruchung und mechanischer Abrieb die Feststoffe mit jedem Rückgewinnungszyklus feiner werden lassen. Feine und kompressible Kuchen sind der anspruchsvollere Fall, weshalb repräsentative Versuche mit der realen Suspension und nicht die Katalysatorspezifikation die Grundlage der Auslegung bilden.

Wie viel Flüssigkeit lässt sich vor dem Austrag aus dem Katalysatorkuchen entfernen?

Kuchenfeuchte und Waschwirkung bestimmen die Wirtschaftlichkeit des Rückgewinnungsschritts. Der zurückgehaltene Kuchen enthält Mutterlauge mit gelöstem Produkt, und im Kuchen verbliebene Flüssigkeit bedeutet sowohl Ausbeuteverlust als auch Verschleppung von Verunreinigungen in den nächsten Schritt. Der FUNDABAC® Kerzenfilter bringt die Waschflüssigkeit über Sprühdüsen im Kopf des Behälters auf, statt das gesamte Flüssigkeitsvolumen zu fluten und zu verdrängen. Das senkt den Waschmittelverbrauch, macht einen Puffertank für Waschflüssigkeit überflüssig und verkürzt den Zyklus. Die Restvolumenfiltration entfernt anschließend die verbliebene Restflüssigkeit unterhalb der Filterkerzen, indem sie im Kreislauf geführt und Druckgas als treibende Kraft eingesetzt wird. So bleibt die Chargenintegrität erhalten und das Abfallvolumen sinkt.

Der Kuchen wird durch Gasrückspülung ausgetragen, und der Endpunkt richtet sich nach dem Verwertungsweg und nicht nach der Grenze der Anlage. Der Feststoffgehalt kann 70 bis 80 Prozent erreichen, wenn ein trockener Kuchen gewünscht ist. Edelmetallkatalysatoren, die den Standort verlassen, werden stattdessen typischerweise als feuchter Kuchen mit 40 bis 50 Prozent Restfeuchte gehalten, da eine Übertrocknung pyrophorer Feststoffe eine Transportgefahr darstellt. Die Steuerung des Endpunkts ist daher wichtiger als das Erreichen eines möglichst trockenen Kuchens.

Der Verwertungsweg folgt dem Katalysator. Raney-Nickel wird normalerweise vor Ort wiederverwendet, bis seine Aktivität nachlässt, und danach entsorgt, da der Transport pyrophorer Feststoffe riskant ist und sein Wert eine Handhabung außerhalb des Standorts nicht rechtfertigt. Palladium und Platin auf Kohle lohnen dagegen die Regenerierung oder Rückgewinnung, wodurch eine kontrollierte Kuchenfeuchte und die vollständige Verdrängung der Mutterlauge zu den maßgeblichen Anforderungen werden.

Wie wird der Containment-Anspruch bei pyrophoren und Edelmetallkatalysatoren erfüllt?

Containment im Katalysatorbetrieb beruht darauf, bewegte Teile im Inneren des Behälters zu vermeiden, statt einen konventionellen Filter nachträglich zu kapseln. Die FUNDABAC® Bauweise arbeitet ohne rotierende Elemente, sodass der Druckbehälter über Filtration, Wäsche, Trocknung und Austrag hinweg tatsächlich geschlossen bleibt und pyrophore Feststoffe von Luft isoliert sind. Filterelemente und Filtertücher werden aus Polymeren wie PVDF, PTFE, PEEK und PPS gefertigt, während der Behälter separat in einer ausgekleideten oder hochlegierten Ausführung passend zur Prozesschemie spezifiziert wird. Standardausführungen arbeiten bis 180 °C, Sonderausführungen bis 350 °C, und hygienische Konfigurationen mit CIP und SIP unterstützen die GMP-Konformität, wenn ein System zur Filtration von Edelmetallkatalysatoren in einem API-Prozess eingesetzt wird. Ein praktisches Beispiel für diese Anwendung ist im FUNDABAC® Projekt zur Katalysatorabtrennung in der Duftstoffherstellung dokumentiert.

Wann ist die kontinuierliche Katalysatorrückführung der chargenweisen Rückgewinnung vorzuziehen?

Die kontinuierliche Rückführung ist dann vorzuziehen, wenn der Reaktor als Suspensionsreaktor bei gleichbleibendem Durchsatz und nicht in einzelnen Chargen betrieben wird. Bei der heterogenen Suspensionshydrierung besteht das Ziel nicht darin, die gesamte Katalysatorcharge am Ende einer Kampagne zurückzugewinnen, sondern aktiven Katalysator im Kreislauf zu halten, während ein Teilstrom ausgeschleust wird. Der CONTIBAC® semikontinuierliche Kerzenfilter übernimmt diese Aufgabe und trägt den zurückgewonnenen Katalysator als Suspension zur direkten Rückführung in den Prozess aus. Er wird dort eingesetzt, wo die Feststoffbeladung gleichmäßig ist und ein unterbrechungsfreier Betrieb zählt. Der FUNDABAC® Kerzenfilter deckt den Chargenbetrieb mit trockenem Kuchenaustrag ab und bleibt der richtige Ansatz für Kampagnenfertigung, wechselnde Chargengrößen, häufige Produktwechsel und Prozesse, bei denen die Katalysatorcharge am Ende eines abgeschlossenen Reaktionsschritts zurückgewonnen wird. Der richtige Filter zur Katalysatorrückgewinnung hängt von der Aufgabe ab.

Welche Parameter sollten vor der Spezifikation eines Katalysatorfilters definiert werden?

• Katalysatormaterial, Trägertyp und Partikelgrößenbereich
• Feststoffkonzentration und Viskosität der Suspension
• Geforderte Filtratklarheit, angegeben als Restfeststoffgehalt
• Zielwert für die Produkt- und Lösungsmittelrückgewinnung aus dem Kuchen
• Anforderung an die Kuchenwäsche und verfügbare Waschflüssigkeit
• Zielwert für Kuchenfeuchte oder Feststoffgehalt beim Austrag
• Betriebstemperatur, Druck und Lösungsmittelbeständigkeit
• Brennbarkeit, Pyrophorie, Reaktivität und Expositionsrisiken
• Anforderung an Chargen- oder Kontinuierlichbetrieb
• Weg der Wiederverwendung, Regenerierung oder externen Rückgewinnung
• Anforderungen an Reinigung, Containment und Automatisierung

Wo beginnt die Auswahl eines Filters zur Katalysatorrückgewinnung?

Erreichbare Filtratklarheit, Kuchenfeuchte und Waschwirkung lassen sich nur an der realen Reaktionssuspension ermitteln, weshalb repräsentative Versuche der Auslegung vorausgehen und sie nicht nachträglich bestätigen. Versuche reichen von Laboreinheiten mit 0,012 m² über den Pilotmaßstab bis zu Industrieanlagen mit bis zu 300 m², auf jeder Stufe nach denselben Wirkprinzipien. DrM hat mehr als 550 Anlagen zur Katalysatorfiltration in 40 Ländern geliefert. Der installierte Bestand umfasst Edelmetallkatalysatoren auf Kohle und anderen Trägern, Raney-Nickel, Kupfer auf Silikaten sowie FCC- und Zeolith-Systeme.

Wichtigste Erkenntnisse

• Die Katalysatorrückgewinnung durch Filtration muss geschlossenen Betrieb, Kuchenwäsche und Austrag aus derselben Einheit in einem Behälter vereinen.
• Der Endpunkt des Kuchenaustrags ist ein Prozessparameter, von 70 bis 80 Prozent Feststoff bis hin zu einem definiert feuchten Kuchen.
• Edelmetallkatalysatoren werden bei 40 bis 50 Prozent Restfeuchte gehalten, da eine Übertrocknung pyrophorer Feststoffe eine Transportgefahr darstellt.
• DrM hat mehr als 550 Anlagen zur Katalysatorfiltration in 40 Ländern geliefert.
• CONTIBAC® bedient den Katalysatorbetrieb bei gleichbleibendem Durchsatz mit Suspensionsaustrag; FUNDABAC® den Chargenbetrieb mit trockenem Kuchen.