Paradigmenwechsel: chemische Prozesse auf kleinstem Raum

3:0 für das Kleinformat

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Im Rahmen des EU-Projekts F3-Factory entwickelte Evonik eine neue Reaktortechnologie in Containergröße, die sich für verschiedene Reaktionen eignet. Die Vorteile gegenüber der Großanlage: Die Raum-Zeit-Ausbeute liegt bis zu 50 % höher, die spezifischen Baukosten sind um rund die Hälfte niedriger und der Energieverbrauch nimmt um 10 bis 20 % ab.

Die Autoren: Dr. Marc Becker, Technikumsleiter Reaktionstechnik, Verfahrenstechnik & Engineering, Evonik Industries Prof. Dr. Robert Franke, Director Innovation Management Hydroformylation, Geschäftsbereich Advanced Intermediates, Evonik Industries Dr. Frank Stenger, Gruppenleiter Small Scale Processes, Verfahrenstechnik & Engineering, Evonik Industries

Die chemische Fabrik der Zukunft ist klein, kompakt und kostengünstig. Wie sie aussehen kann, haben 26 Unternehmen, Universitäten und Forschungseinrichtungen aus neun EU-Staaten im EU-Projekt F3-Factory ausgelotet. F3 steht für flexible, fast, future. Zwischen 2009 und 2013 suchten die Beteiligten nach Wegen, die Wettbewerbsfähigkeit der europäischen Chemieindustrie zu stärken, indem flexible und intensivierte Verfahren Kostenrisiken minimieren und Innovationszyklen beschleunigen. F3-Prototypen sollten belegen, dass chemische Prozesse auch auf kleinstem Raum hocheffizient verlaufen können.
Außerdem löst F3 das Prinzip der nur einmal gebauten und daher einzigartigen Chemieanlage auf: Die Kleinproduktionsanlage wird aus einzelnen Modulen (Process Equipment Assemblies, PEA) im Process Equipment Container (PEC) installiert. Die PEA sind vorgefertigte Bauteile oder Bauteilgruppen, die verfahrenstechnische Funktionen wie Pumpen, Filtern oder Heizen erfüllen. Durch ihre Standardisierung und mehrfache Einsetzbarkeit in unterschiedlichen Prozessen vereinfachen sie Planung und Aufbau einer Produktion und machen den Betrieb kostengünstiger.
Der Prototyp einer F3-Factory wurde im Herbst 2011 in Leverkusen eröffnet. Kern ist ein Technikum mit einer stationären, universell nutzbaren Backbone-Infrastruktur, an die einzelne PEC angedockt werden können. Die Betreiber sind Bayer Technology Services und die Universität Dortmund, die dafür als Public Private Partnership die Invite GmbH gegründet haben.
Beispiel Hydroformylierung
Evonik hat in der F3-Factory gemeinsam mit Partnern untersucht, wie chemische Prozesse flexibler werden. Ein Team aus dem Bereich Verfahrenstechnik & Engineering und dem Geschäftsbereich Advanced Intermediates wählte die Hydroformylierung, die normalerweise nur in Großanlagen umgesetzt wird und mit der Evonik Zwischenprodukte herstellt.
Bei der Hydroformylierung, auch Oxosynthese genannt, werden Olefine mit Synthesegas bei Drücken bis zu 300 bar und Temperaturen zwischen +40 und +200 °C in Aldehyde umgesetzt. Die Aldehyde werden dann zu Alkoholen hydriert, die als Weichmacher, Tensidrohstoffe und Lösemittel dienen.
Die Oxosynthese zählt mit einer Jahresproduktion von über 10 Millionen Tonnen zu den bedeutendsten homogen katalysierten Reaktionen in der industriellen Chemie.
Die Umwandlung der Olefine ist stark exotherm, und in Großanlagen entsteht Energie im Megawattbereich. Diese muss kontinuierlich abgeführt werden, und sie begrenzt die Stoffumsetzung. Außerdem sind die Homogenkatalysatoren wegen ihres Gehalts an Rhodium und speziellen Liganden sehr teuer. Produkt, Lösemittel und Katalysator werden zudem durch Vakuumdestillation getrennt, bei der die Rhodiumverbindung teilweise deaktiviert wird.
Im F3-Projekt sollten Masse- und Wärmetransfer optimiert und das Produkt sauber abgetrennt werden. Klar war von Anfang an, dass das konventionelle Herstellungsverfahren für eine intensivierte Kleinproduktionsanlage nicht taugt, weil es die Anforderungen an Effizienz, Energieverbrauch und Investitionskosten nicht erfüllt.
Reaktorkonzept auf 38 m3
Evonik entwickelte für die Oxosynthese deshalb ein neues Reaktorkonzept, das die Evonik-Tochtergesellschaft Infracor GmbH in einem PEC in Marl installierte. Im Februar und März 2013 wurde es im Technikum der Invite in Leverkusen betrieben. Die Kleinproduktionsanlage besteht aus sieben Modulen, die weniger als 38 m3 Platz benötigen. Herzstück sind zwei parallel geschaltete Jet-Loop-Reaktoren in einem gekapselten und stickstoffdurchspülten Reaktionsmodul. In den Jet-Loops werden 1-Penten, Synthesegas und Katalysator in einer Düse intensiv durchmischt und unter Druck im Reaktorraum fein dispergiert.
Nach der Umsetzung von 1-Penten zu Hexanal verlässt die Mischung den Reaktor, wird extern abgekühlt und zurückgeführt. Da die Stoffaustauschfläche für den katalytischen Prozess maximiert und die Flüssigkeit ständig in schneller Bewegung ist, sind Umsatz und Ausbeute deutlich erhöht. Die Wärmeauskoppelung in einem externen Wärmetauscher intensiviert den Stoffumsatz und senkt zudem die Kosten, weil die externe Platzierung im PEC die Bauweise vereinfacht. Bei der anschließenden patentierten Aufarbeitung der Reaktionslösung wird das Produkt bei Reaktionstemperatur per Nanofiltration über Membranen abgetrennt. Ein Nebeneffekt ist, dass durch diese „kalte“ Aufarbeitung der teure Rhodiumkatalysator nicht mehr destabilisiert wird.
Die Entwicklung des Reaktorkonzepts erfolgte gemeinsam mit den Technischen Universitäten in Dortmund (ökonomische Aspekte der Modularisierung und Logistik) und Eindhoven (Kinetik und Reaktionstechnik); für das modulare Anlagenkonzept floss der Input aller am Projekt beteiligten Partner ein. Das Konzept aus Jet-Loop, externem Wärmetauscher und Nanofiltration hat klare Vorteile gegenüber der klassischen Produktion. Die Raum-Zeit-Ausbeute liegt bis zu 50 % höher, die spezifischen Baukosten sind um rund die Hälfte niedriger, der Energieverbrauch nimmt um 10 bis 20 % ab. Außerdem sinken die CO2-Emissionen.
Für viele Produkte geeignet
Das Konzept ist für eine ganze Reihe von Produkten geeignet. Beispiele sind Zwischenprodukte für die Pharmaindustrie oder Electronic Chemicals sowie Fein- und Spezialchemikalien. Die Kapazität (in der derzeit realisierten Anlage sind es 40 t/a) lässt sich durch Änderung von Zahl und Größe der Reaktoren, Wärmetauscher und Filter an Nachfrage und Kundenwünsche anpassen. In einer kontinuierlich arbeitenden Kleinproduktionsanlage können außerdem neue Reaktorkonzepte getestet, validiert und optimiert werden. Mit dem Anlagenkonzept lassen sich nicht zuletzt schnell und kosten- effizient Materialproben neuer Stoffe liefern, die in ihren chemischen und physikalischen Eigenschaften genau dem Serienprodukt entsprechen. Das senkt die Kosten einer Mustermengenerzeugung.
Evonik hat mit Unterstützung der Projektpartner so eine Technologie entwickelt, die die wirtschaftlich bedeutende Hydroformylierung auf neue Produkte übertragbar macht. Im Verbund mit den EU-Projektpartnern wurde ferner ein modulares Produktionskonzept entwickelt und realisiert, mit dem kleine und mittelgroße Stoffmengen für wachsende Märkte bereitgestellt werden können. Welche Produkte und Zwischenprodukte das letztendlich sein werden, hängt davon ab, was Kunden, Verbraucher und Märkte fordern.
prozesstechnik-online.de/cav1113436
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