Helmholtz-Energie-Allianz: Energieeffiziente chemische Mehrphasenprozesse

Motivation

Die chemische Industrie ist mit einem Gesamtumsatz von 170 Mrd. EUR (2010) und ca. 462.000 Beschäftigten einer der wichtigsten Industriezweige der deutschen Wirtschaft. Die Herstellung der mehr als 30.000 Chemikalien erfordert einen sehr hohen Energieeinsatz (ca. 8% des gesamten Energieverbrauchs der Industrieländer).

Demzufolge ist der Anteil der Energiekosten an der Bruttowertschöpfung mit ca. 5% (2008) überdurchschnittlich hoch. Die Erreichung der Klimaschutzziele unter den Bedingungen der in Deutschland anstehenden energiepolitischen Veränderungen erfordert neben dem Ausbau der erneuerbaren Energien und der Entwicklung geeigneter Speichertechnologien große Anstrengungen im Bereich der Energieeffizienz.

Potenziale zur Energieeinsparung in der chemischen Industrie bestehen ei-nerseits bei der energetischen Prozessoptimierung durch effiziente Wärmerückgewinnung und Modernisierung elektrischer Anlagenkomponenten, andererseits in der Optimierung von Syn-theseabläufen und der Reduzierung von Stoff- und Wärmetransportwiderständen in Reaktionsapparaten.

Problemstellung

Häufige Schwachpunkte technischer Reaktoren sind Fehlverteilungen der Edukte in den Re-aktionsräumen und unangepasste Verweilzeitspektren durch Strömungskurzschlüsse sowie Entmischungs- und Totzonen, die letztendlich zu verminderter Katalysatornutzung aber auch zur Bildung von Hot-Spots und zur Katalysatordesaktivierung führen können.

Der aktuelle Stand von Reaktions- und Strömungsmodellierung sowie Prozessmesstechnik erlaubt es noch nicht, derartige Effekte in großtechnischen Apparaten vorherzusagen oder messtechnisch zu erfassen.

Lösungsansatz

Der Verteilung der Phasen kommt in technischen Reaktoren eine große Bedeutung zu. Daher ist es notwendig, nicht nur den Reaktor selbst zu optimieren, sondern ebenfalls die Distributoren und die anschließende Verteilung über den Reaktor zu betrachten. Aus diesem Grund sollen im Rahmen des Projektes nicht nur neue Apparate- /Katalysator- und Prozessführungskonzepte entwickelt werden. Es werden außerdem Konzepte zur optimalen Phasenverteilung vorgestellt und auf ihre Einsatzfähigkeit im technischen Maßstab geprüft.

Zu diesem Zweck sollen am Lehrstuhl für Fluidverfahrenstechnik sowohl theoretische Analysen von Verteilersystemen und deren Einsatzgebiete sowie experimentelle Un-tersuchungen zur Querschnittsverteilung durchgeführt werden. Dazu können gering-invasive Messtechniken verwendet werden, die im halbtechnischen und technischen Maßstab zum Einsatz kommen.

1.  Prozesswärmemanagement, Verfahrenssimulation und Identifikation von Energieeinspar- und Nachhaltigkeitspotentialen
Am Beispiel der Oxidation von Isobutan zu tert-Butyl-Hydroperoxid, einem wichtigen Rohstoff beispielsweise in der Polymerindustrie, sollen die Möglichkeiten zur Energieeffizienzsteigerung mit Hilfe von Stoff- und Energieflussschemata untersucht wer-den. Diese Effizienzsteigerungen könnten durch den Einsatz von strukturierten Katalysatoren oder modularen Apparatekonzepten erreicht werden.

Die Untersuchungen sollen dazu dienen, den Einfluss der nachgeschalteten Reinigungsstufen in Bezug auf die Verfahrensparameter des Mehrphasenprozesses im Vergleich zu den bisher eingesetzten Technologien darzustellen.
Diese Effizienzsteigerungen werden anschließend mit Hilfe von Kosten- sowie Energie- und Stoffstrommodellen über Übersichtsindikatoren bewertet und die Nachhaltigkeitspotentiale der verschiedenen Optionen untersucht. In Schwachstellenanalysen werden ökologische und ökonomische Optimierungsmöglichkeiten der Fertigung und des Betriebs der neuen Reaktoren identifiziert. Und durch Vergleiche mit Konkurrenz-technologien werden geeignete Anwendungsfelder identifiziert.

2. Untersuchung der Phasendispergierung und -verteilung für technische  Mehrphasen-apparate
Der Verteilung der Phasen kommt in technischen Reaktoren eine große Bedeutung zu. Daher ist es notwendig, nicht nur den Reaktor selbst zu optimieren, sondern ebenfalls die Distributoren und die anschließende Verteilung über den Reaktor zu betrachten. Aus diesem Grund sollen im Rahmen des Projektes nicht nur neue Apparate- /Katalysator- und Prozessführungskonzepte entwickelt werden. Es werden außerdem Konzepte zur optimalen Phasenverteilung vorgestellt und auf ihre Einsatzfähigkeit im technischen Maßstab geprüft.

Projektbearbeitung durch:

Dipl.-Ing. Julia Riese
Dipl.-Ing. Corinna Hecht
M. Sc. Dominik Wörsdörfer