18.09.2012
ForschungUmwelt

Erneuerbare Rohstoffe: Neue Herausforderungen für die Verfahrenstechnik

  • Abb. 1: Vergleich der Wirbelbildung im RDC-Extraktor mit Compartmentabgrenzung über Statorringe (links) und ohne Statorringe (rechts)Abb. 1: Vergleich der Wirbelbildung im RDC-Extraktor mit Compartmentabgrenzung über Statorringe (links) und ohne Statorringe (rechts)
  • Abb. 1: Vergleich der Wirbelbildung im RDC-Extraktor mit Compartmentabgrenzung über Statorringe (links) und ohne Statorringe (rechts)
  • Abb. 3: Methanol-Methylacetat-Trennung; Vergleich des Dampf-Flüssig-Gleichgewichtes mit dem Pervaporations-„ Gleichgewicht“.

Die Randbedingungen, die über Jahrzehnte stabile Basis für die Verfahrenstechnik waren, unterliegen durch die Verschiebung der Rohstoffbasis von erdölbasierten Einsatzstoffen hin zu Biomasse einer beschleunigten Veränderung. Das gilt nicht nur für den Energiesektor, es sind auch alle Bereiche der chemischen Industrie betroffen. Wie bereitet sich die Verfahrenstechnik auf diese Änderungen vor, und welche Werkzeuge stehen ihr zur Verfügung, um diese scheinbar einfachen Erweiterung der Rohstoffbasis zu bewältigen? Welche Konsequenzen hat insbesondere der höhere Sauerstoffanteil in der Biomasse im Vergleich zu fossilen Rohstoffen? Am Institut für Chemische Verfahrenstechnik und Umwelttechnik (CEET, Institute of Chemical Engineering and Environmental Technology) der TU Graz wird mit ausgewählten Forschungsschwerpunkten zur Bewältigung der Änderung der Rohstoffbasis beigetragen.

Brennstoffadditive
Die Beschreibung der Stoffeigenschaften von Vielstoffgemischen, insbesondere von Kohlenwasserstoffen mit polaren Additiven stellt besondere Herausforderungen an die Grundlagenforschung. Als repräsentatives Beispiel gehört die Beimischung von Biodiesel zu Dieseltreibstoff dazu. Neben der korrekten Wiedergabe der Siedeverlaufskurve müssen auch die Mischungsdichte, die Kälteeigenschaften sowie verbrennungs- und sicherheitstechnische Kennzahlen korrekt vorhergesagt werden. Durch Anwendung geeigneter Optimierungsalgorithmen in Verbindung mit zuverlässigen Aktivitätskoeffizientenmodellen ist die prädiktive Beschreibung der Stoffeigenschaften von Vielstoffgemischen mit repräsentativen Realkomponenten möglich.

Weitere Untersuchungen zu den Grundlagen der Verfahrenstechnik werden am CEET zu Stofftransport und Strömungsverhalten durchgeführt. Aufgrund des höheren Sauerstoffanteils in der Biomasse weisen Zwischen- und Endprodukte eine höhere Viskosität auf sowie geringere Diffusionskoeffizienten im Vergleich zu fossil basierten Gemischen. Dies gilt es in den Modellen und Simulationen zu Prozess- und Apparatedesign korrekt abzubilden.

Auswirkungen auf Trenntechniken
Da aufgrund des gleichzeitig geringeren Dampfdrucks der Stoffe statt der heute üblichen destillativen Trennung Prozesse in der Flüssigphase bevorzugt werden, müssen auch bei den Trennverfahren die verfahrenstechnischen Ansätze der sich ändernden Rohstoffbasis angepasst werden.

Insbesondere bieten Flüssig-Flüssig- und Reaktiv-Extraktion eine gute Chance zur gezielten Trennung der Produktgemische. Herausforderungen sind die bereits angesprochenen Änderungen in Viskosität und Stofftransport, deren Konsequenzen für die Apparateauslegung in entsprechenden Untersuchungen beforscht werden. Dafür wird ein Simulationswerkzeug weiter entwickelt, das es erlaubt, basierend auf wenigen Messungen an Einzeltropfen im Labormaßstab das Extraktionsverhalten von Extraktionskolonnen unterschiedlichster Bauart mit sehr hoher Genauigkeit vorherzusagen. Es ist dabei sogar möglich, die Grenzen der Betreibbarkeit, d. h. das Fluten, korrekt abzubilden.

Aus dem biogenen Ausgangsmaterial können aber auch mit Hilfe der Phytoextraktion gezielt wertvolle Inhaltsstoffe abgetrennt werden. Auch hierzu laufen Forschungsarbeiten am CEET.

Simulation von Prozessen
Zudem wird das Abscheide- und Koaleszenzverhalten von Dispersionen untersucht, wie sie beispielsweise bei der Extraktion auftreten. Insbesondere gehört die Bildung und Bekämpfung von Mulm, d. h. der Entstehung feststoffstabilisierter Emulsionsschichten, zu zukünftig häufiger zu erwartenden Aufgaben. Hierzu sowie zur Beschreibung des Koaleszenzverhaltens unter dem ganz erheblichen Einfluss von Spurenstoffen und Elektrolyten entwickeln wir Heuristiken, Modelle und Simulationswerkzeuge für die Auslegung von technischen Abscheidern.

Die unmittelbare Auswirkung auf die apparative Ausführung, für die die CFD-Simulation (Computational Fluid Dynamics) zu einem unverzichtbaren Werkzeug geworden ist, sei in Abbildung 1 am Beispiel der Auslegung von RDC-Kolonnen (Rotating Disc Contactor) erläutert. Die klassische Ausführung des RDC, dargestellt im linken Teil von Abbildung 1, beruht auf der Wirbelstabilisierung im einzelnen Compartment, das durch Statorscheiben begrenzt ist. Die Ausbildung von trennineffizienten Totzonen im Statorbereich ist dadurch unvermeidbar. Stabilisiert man die Wirbel dagegen dynamisch, kann in der apparativen Ausführung die Compartmentabgrenzung über Statorringe entfallen. Das senkt nicht nur die Investitionskosten, es trägt auch zu einem sicheren Anlagenbetrieb bei.

Fichtenholz als Rohstoff
Die Aufarbeitung von Biocrudeoil aus der thermischen Belastung von Lignocellulose ist ein repräsentatives Beispiel für die verfahrenstechnische Herausforderung an die Flüssig / Flüssig-Extraktion. Die Flüssigphasenpyrolyse von Fichtenholz liefert im Prinzip feste, flüssige und gasförmige Produkte. Abbildung 2 zeigt eine repräsentative Massenbilanz.

Die Massenbilanz zeigt auch die zwei Teilströme der flüssigen CHO-Produkte und des Reaktionswassers. Tatsächlich verbergen diese Summenströme eine Vielzahl von Verbindungen der Elemente Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff, das Spektrum reicht von Ameisensäure über Polyosen bis zu phenolbasierten Degradationsprodukten des Lignins. Die extraktive Raffination dieser Teilströme stellt höchste verfahrenstechnische Anforderungen an das Trennverfahren und an die apparative Ausführung.

Membrantrennverfahren
Als weitere zukunftsträchtige und sehr effiziente Trenntechnik haben sich Membrantrennverfahren etabliert. Die Vielfalt an Membranwerkstoffen und -qualitäten bietet für die Pervaporation als Trennverfahren ein umfangreiches Anwendungsfeld. So kann durch Pervaporation der Aufwand für die Trennung von Azeotropen erheblich vermindert werden, was repräsentativ in Abb. 3 für das bekannte Tiefsiedeazeotrop Methanol + Methylacetat gezeigt ist. Während die „einfache" Trennung durch Rektifikation am Azeotrop scheitert, ermöglicht der Unterschied der Diffusionskoeffizienten der beiden Komponenten bei geeigneter Mem-branwahl die vollständige Stofftrennung. Durch die Implementierung der Pervaporation kann der Prozess zur Herstellung von Methylacetat signifikant vereinfacht werden. Vor allem kann die heterogen katalysierte Veresterungsreaktion bei niedriger Temperatur durchgeführt werden. Dadurch wird wiederum die Bildung von Nebenprodukten wie Dimethylether vermieden.

Membranverfahren werden am CEET aber auch untersucht, um Recycling-Kreisläufe zu schließen, was eine weitere große Herausforderung der Zukunft darstellt. Repräsentativ wird Lithium-Ionenbatterischrott als Abfall oder Ressource für wichtige Metalle mit hohem Wachstumspotenzial untersucht. Die Metallsalzextraktion in der Anwendungsform der Flüssigmembranpermeation ist eine im Labormaßstab bereits validierte Grundoperation für das Recycling der Metalle Lithium, Kupfer und Cobalt aus Batterieschrott. Gestützte Flüssigmembranen konnten soweit entwickelt werden, dass sie mit nachgewiesenen Standzeiten von 5000 Betriebsstunden praxistauglich geworden sind.

Energie- und Umwelttechnik
Die Verfahrenstechnik ist auch für die Energietechnik und für die Umwelttechnik zuständig. Beide Disziplinen können in der Forschung durchaus gemeinsame Merkmale aufweisen.

In der Brennstoffzellentechnik ist eine tiefere Marktdurchdringung für die mobile Anwendung nur über alternative Katalysatoren für die Anoden- und insbesondere Kathodenreaktion zu heute gängigen platindotierten Elektroden vorstellbar. Diese Herausforderung hat sich berechtigterweise als eigenständiger Forschungsschwerpunkt etabliert.

Mit einer sehr ähnlich gearteten Problemstellung ist die Verfahrenstechnik im Umweltschutz konfrontiert. Von vielen Produkten, die heute am Markt etabliert sind, ist die Persistenz gegenüber dem biologischen Abbau bekannt. Durch die Anwendung so genannter Advanced Oxidation Processes kann diese Persistenz gebrochen werden. Neben chemischen Prozessen, fotochemischen Prozessen und Technologikombinationen ist die elektrochemische Oxidation eine effiziente Technologie, benötigt aber für eine optimale Durchtrittsreaktion der interessierenden Spezies geeignete Anodenmaterialien.

Gerade im Zusammenspiel der Unit Operations untereinander und im Zuge der Entwicklung neuer Prozesse im Zusammenspiel mit Chemikern, Biotechnologen und Biologen auch zwischen den Fachdisziplinen werden Methoden entwickelt, die effizient zu neuen technisch umsetzbaren Gesamtprozessen führen sollen. In mehreren Industriekooperationen konnte dazu das Arbeiten mit „kaskadierten Optionsbäumen" entwickelt und erfolgreich umgesetzt werden.

Diese Vorstellung der Forschungstätigkeit des Institutes für Chemische Verfahrenstechnik und Umwelttechnik der TU Graz kann jedoch nur einige Bausteine des faszinierenden Puzzles aufzeigen, das mit dem Rohstoffwandel verbunden ist.

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