Sie sind hier: StartseiteApplikationen ÜbersichtArchiv › Computersimulationen beschleunigen die Verfahrensentwicklung

Computersimulationen beschleunigen die Verfahrensentwicklung

01.11.2007
    

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.

Schlüsselwörter : Aufarbeitungsprozesse C4-Chemie C4-Kohlenwassersoffisomere chemische Verfahrenstechnik Computational Chemists Computersimulationen Dr. Horst-Werner Zanthoff Dr. Markus Winterberg empirische Potenzialfunktionen Evonik Industries Evonik-Verfahrenstechniker Experimentalchemiker Iterationsprozess Katalysator Katalysatorscreening kinetische Screening kinetisches Reaktionsmodell Lennard-Jones-Potenzial Methyl-tertiär-Butylether Methylmethacrylat MTBE Polyisobute Projekthause Katalyse Prozesssynthese Prozesssynthesewerkzeuge Reaktionstechnik Reiner Bukohl Scale-up Stoffdaten fluider Reinstoffe Technikumsreaktor thermisches Trennverfahren Verfahrenstechnik & Engineering Verfahrenstechniker

RSS Newsletter