Computersimulationen beschleunigen die Verfahrensentwicklung

Computersimulationen beschleunigen die Verfahrensentwicklung. Dank immer leistungsfähigerer Computer und Software erleben computergestützte Simulationsmethoden in der chemischen Verfahrenstechnik einen enormen Aufschwung. Das Geschäftsfeld Chemie der Evonik Industries berechnet bzw. simuliert heute nicht nur Stoffdaten, Reaktionen und Reaktoren, sondern auch thermische Verfahren zur Trennung der Reaktionsprodukte und schließlich die Verschaltung der gesamten Anlage. Da Experimente oft nur noch zur Wertung der Computerergebnisse notwendig sind, ist die Entwicklung neuer Verfahren schneller und kostengünstiger geworden. Evonik kann so rasch auf den Markt reagieren und neue Produkte bereit stellen. Zudem erlaubt die Software die Überwachung der Wirtschaftlichkeit der Entwicklung und des Verfahrens. Dies senkt das Risiko von Fehlinvestitionen.

Ein weiterer Pluspunkt: Die Forscher können die einzelnen Bausteine des Verfahrens, wie Katalysator, Reaktionstechnik und Aufarbeitungsprozesse, parallel entwerfen und testen. So läuft neben der Verfahrensentwicklung im Labor zeitgleich die Katalysatorentwicklung an. Deren erste Ergebnisse dienen dazu, ein Basismodell für den Produktionsprozess am Computer zu erstellen.

Dadurch eröffnet sich bereits sehr früh die Möglichkeit des Feedbacks. Erzeugt z. B. ein Katalysator Nebenprodukte, die bei der Aufarbeitung Probleme bereiten, können die Forscher dies bei der Verfahrensentwicklung frühzeitig berücksichtigen. Ein wesentlicher Erfolgsfaktor dabei ist Teamwork. Ein strenger Zeitplan und ein konsequentes Projektmanagement binden alle Beteiligten – Experimentalchemiker, Computational Chemists und Verfahrenstechniker – von Anfang an ein.

Maßgeschneiderte Katalysatoren

Seit dem erfolgreichen Abschluss seines Projekthauses Katalyse im Jahr 2004 verfügt das Evonik-Geschäftsfeld Chemie über innovative Methoden für die Katalysatorentwicklung und das kinetische Screening. Dabei wird eine große Anzahl von Katalysatoren vollautomatisch parallel hergestellt und in miniaturisierten, parallelisierten Reaktorsystemen getestet. Durch das systematische, computergestützte Vorgehen sind potenzielle Katalysatoren und ihre kinetischen Eigenschaften wie Geschwindigkeitskonstanten und Aktivierungsenergien schnell ermittelt.

Mit diesen Daten wird am Computer ein kinetisches Reaktionsmodell erstellt, mit dem schon im frühen Stadium die notwendige Katalysatormenge berechnet und der Reaktortyp ausgewählt und dimensioniert werden kann.

Mit den Ergebnissen des Katalysatorscreenings legen die Evonik- Forscher dann einen Laborreaktor aus, um die Simulationsrechnungen zu validieren und das Modell zu verfeinern. Anschließend erfolgt das Scale-up auf einen Technikumsreaktor, bei dem Stoffdurchsatz, Reaktorlänge und -durchmesser häufig bereits den Geometrien eines Einzelrohrs des zukünftigen, großtechnischen Reaktors entsprechen. Da so nach Ablauf der Prozesssynthese ein direktes Scale-up möglich ist, verringern sich Entwicklungszeit und Kosten.

Effiziente Prozesssynthese – zwischen Simulation und Experiment

Die Prozesssynthese setzt den gesamten Herstellungsprozess aus den einzelnen Grundoperationen zusammen und schafft die Basis für das Scale-up. Für die Optimierung der Gesamtanlage kommen Computermodelle zum Einsatz, mit denen verschiedene Verfahrensvarianten generiert, simuliert und anhand von wirtschaftlichen Kennzahlen miteinander verglichen werden.

Zu Beginn der Prozesssynthese müssen die Computermodelle mit Kinetikuntersuchungen und mit Versuchen zu Machbarkeit und Auslegung von Aufarbeitungsprozessen validiert werden. Wichtig für die Entwicklung thermischer Trennverfahren sind außerdem Dampf-Flüssigkeits- Gleichgewichte. Da die Messung von Phasengleichgewichten zeit- und kostenintensiv ist, durchsucht Evonik vor solchen Messungen zunächst vorhandene Stoffdatenbanken.

Alternativ können thermodynamische Eigenschaften von fluiden Stoffen, wie z. B. Dampfdruck, Dichte und Verdampfungsenthalpie, auch mit mathematischen Modellen abgeschätzt werden, wenn z. B. die betreffenden Substanzen schwer zugänglich sind. Voraussetzung hier ist ein molekulares Modell, das die Wechselwirkungen zwischen den Molekülen der fluiden Phasen quantitativ wiedergibt.

Molekulare Modelle werden entweder mithilfe von Datenbanken ermittelt oder berechnet. Mit den validierten Modellen, die die realen Stoffeigenschaften hinreichend genau beschreiben, lassen sich dann verschiedene Verfahrensvarianten erzeugen und miteinander vergleichen. Damit können die Evonik-Verfahrenstechniker Untersuchungsschwerpunkte für die weitere Laborarbeit formulieren – z. B. ob die Reaktion bei einem Druck durchgeführt werden kann, der die Aufarbeitung vereinfacht.

Umgekehrt wird mit Erkenntnissen aus den Experimenten die Simulation validiert und verfeinert. Dieser Iterationsprozess aus Simulation, Experiment und Bewertung deckt auch Phänomene auf, die im Labor nur schwierig zu erfassen sind. So können sich Spuren von Nebenprodukten bei der Kreislaufführung in Trennkolonnen anreichern und zu einem entscheidenden Kostenfaktor werden.

Simulierte Moleküle

Neue Wege zur Beschreibung und Vorhersage von Stoffdaten fluider Reinstoffe und Mischungen beschreitet das Geschäftsfeld Chemie der Evonik mit der molekularen Modellierung und Simulation. Die molekularen Modelle müssen hinreichend genau sein, dürfen mit Blick auf Rechnerleistung und -zeit aber nicht zu komplex sein. Deshalb nutzen Computational Chemists häufig empirische Potenzialfunktionen.

Mit einfachen Potenzialen wie dem Lennard-Jones-Potenzial generieren sie molekulare Modelle, die das Verhalten der Stoffe in den fluiden Phasen vorhersagen. Für die genaue Berechnung chemischer Strukturen und Reaktionsenergien nutzt Evonik spezielle Programme. Mit diesen lassen sich anhand quantenchemischer Rechnungen für Einzelmoleküle die thermodynamischen Daten nahezu beliebig komplexer Mischungen abschätzen. Hierzu werden keinerlei experimentelle Daten benötigt.

Entwicklung live: Schnelligkeit ist Trumpf

Ein Beispiel für eine Verfahrensentwicklung mit diesen Screening- und Prozesssynthesewerkzeugen ist ein Prozess zur Herstellung von hochreinem Isobuten aus Methyl-tertiär-Butylether (MTBE) im Evonik-Geschäftsbereich C4-Chemie. Benötigt wird hochreines Isobuten z. B. für die Herstellung von Polyisobuten oder von Methylmethacrylat, der Ausgangssubstanz für Plexiglas (Polymethylmethacrylat).

Initiiert und durchgeführt wurde die Entwicklung vom Geschäftsbereich C4-Chemie, unterstützt vom Servicebereich Verfahrenstechnik & Engineering. Der Geschäftsbereich C4-Chemie unterhält in Marl und Antwerpen einen C4-Produktionsverbund, der alle Komponenten des so genannten Crack C4 zu wichtigen Produkten umsetzt, wie z. B. zu hochreinem 1-Buten für die Herstellung von Kunststoffen.

Crack C4 ist ein Kohlenwasserstoffschnitt, der bei der Produktion von Ethylen und Propylen als Nebenprodukt anfällt. Es enthält 25 % Isobuten, 40 % Butadien sowie weitere wichtige C4-Kohlenwassersoffisomere wie 1-Buten und n-Butan. Da 1-Buten und Isobuten nahezu identische physikalische Eigenschaften haben, lassen sie sich nur chemisch durch Veretherung des Isobutens trennen. Je nach eingesetztem Alkohol – Methanol oder Ethanol –, bildet sich dabei MTBE oder ETBE (Ethyl-tertiär-Butylether).

Beide finden hauptsächlich als Kraftstoffadditiv zur Erhöhung der Klopffestigkeit Anwendung. Anstoß der Verfahrensentwicklung war es, als Alternative zum Produkt MTBE das chemisch im MTBE gebundene Isobuten zurückzugewinnen und als Reinstoff zu vermarkten. Auf der Suche nach einem Katalysator kam das kinetische Screening zum Einsatz. Bereits nach einem Monat hatten die Forscher einen ersten, geeigneten Katalysator gefunden und konnten das erste Verfahrensfließbild für die MTBE-Spaltung simulieren.

In nur neun Monaten screenten sie 90 Katalysatoren mit unterschiedlichen Trägern, Promotermengen und Präparationsmethoden und variierten in 1.500 Experimenten die Parameter Temperatur, Druck, Verweilzeit und Feed-Zusammensetzung. Das Ergebnis waren vier geeignete Katalysatoren für die Testung in Laborreaktoren. Für die Prozesssynthese werteten sie die zugänglichen Stoffdaten aus und stellten sie für die Simulation bereit; fehlende Stoffdaten schätzten sie mittels molekularer Simulation ab.

Auf Basis des Katalysatorscreenings erzeugten und simulierten sie sieben verschiedene Verfahrensvorschläge und überprüften die Simulationsrechnungen anschließend wieder im Labor. Nach iterativer Testung und Bewertung kristallisierte sich schließlich das optimale Verfahren heraus, das in einem Pilotreaktor im Technikumsmaßstab getestet wurde. Bei diesem Reaktor handelt es sich um ein Einzelrohr mit ähnlichen Abmessungen wie die Rohre im zukünftigen, großtechnischen Reaktor. Letzterer setzt sich je nach Anlagengröße aus 4.000 – 8.000 Einzelrohren mit einer Länge von bis zu acht Metern zu einem Rohrbündelreaktor zusammen.

Beim Betrieb des Pilotreaktors konnten die Verfahrenstechniker weitere wichtige Informationen über Nebenproduktspektrum und Katalysatoralterung sammeln, die wiederum in die Simulation zurückflossen. Die Verfahrensentwicklung ist mittlerweile abgeschlossen und die MTBE-Spaltung kann nun in einer großtechnischen Anlage realisiert werden.

Damit ist es gelungen, ein neues Verfahren von der ersten Idee bis zur Realisierungsreife in nur 2,5 Jahren zu entwickeln. Neben Anwendung der modernsten Methoden der Prozesssynthese in Labor und Simulation war dies nur durch die fachübergreifende und intensive Zusammenarbeit aller Beteiligten möglich.

Kontakt:

Reiner Bukohl
Dr. Markus Winterberg
Dr. Horst-Werner Zanthoff

Evonik Industries
Marl
reiner.bukohl@evonik.com
markus.winterberg@evonik.com
horst-werner.zanthoff@evonik.com

Jetzt registrieren!

Die neusten Informationen direkt per Newsletter.

To prevent automated spam submissions leave this field empty.