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Forschungsprojekt: Reaktoroptimierung

2-in-1-Reaktor soll die Destillationskolonne abschaffen

| Redakteur: Manja Wühr

Prof. Robert Franke, bei Evonik im Segment Performance Materials verantwortlich für das Innovationsmanagement Hydroformylierung: „Wenn uns das gelingt, ist es eine kleine Revolution für die chemische Verfahrenstechnik und ein großer Schritt hin zu nachhaltigeren Prozessen.“
Prof. Robert Franke, bei Evonik im Segment Performance Materials verantwortlich für das Innovationsmanagement Hydroformylierung: „Wenn uns das gelingt, ist es eine kleine Revolution für die chemische Verfahrenstechnik und ein großer Schritt hin zu nachhaltigeren Prozessen.“ (Bild: Evonik Industries)

80 Prozent weniger Energie und bis zu 90 Prozent weniger Emissionen bei katalytischen Reaktionen in der Gasphase: Dieses ambitionierte Forschungsziel haben sich Partner aus Industrie und Wissenschaft gesetzt. Im Zentrum steht ein neues Reaktorkonzept, das Herstellung und Aufarbeitung mithilfe von Membranen in einem Schritt erledigen soll.

Essen – Was wäre, wenn sich die Chemieproduktion die aufwendige Aufarbeitung des Produkts einfach sparen könnte. Es wäre eine "...kleine Revolution für die chemische Verfahrenstechnik und ein großer Schritt hin zu nachhaltigeren Prozessen", sagt Prof. Robert Franke, bei Evonik im Segment Performance Materials verantwortlich für das Innovationsmanagement Hydroformylierung. An der Umsetzung dieser Vision werden Forscher von Evonik und acht weitere Partnern im Rahmen des Forschungsprojektes Romeo arbeiten. Ziel ist es, bei industriell bedeutenden katalytischen Reaktionen in der Gasphase bis zu 80 Prozent Energie und bis zu 90 Prozent Emissionen einzusparen. Romeo steht dabei für Reactor Optimisation by Membrane Enhanced Operation (Reaktoroptimierung durch membranbasierte Prozessführung). Hierzu wollen die Projektpartner ein neues Reaktorkonzept entwickeln, das Herstellung und Aufarbeitung durch den Einsatz von Membranen in einem Schritt erledigen soll – eine Art 2-in-1-Reaktor, bei dem sich bildendes Produkt kontinuierlich aus dem Reaktionsgemisch ausgeschleust wird.

Üblicherweise erfolgt die chemische Produktion in zwei Schritten: Auf die Herstellung in einem Reaktor folgt die Aufarbeitung des Produkts zum Beispiel in einer Destillationskolonne. Dieser Schritt ist in der Regel sehr energieintensiv. Weil er beim 2-in-1-Reaktor entfallen würde, ließen sich Energieverbrauch und die damit verbundenen Emissionen drastisch senken. In den kommenden vier Jahren wollen die neun Partner anhand von zwei industriellen Prozessen in der Gasphase – der Hydroformylierung und der Wassergas-Shift-Reaktion – die technische Machbarkeit des Reaktorkonzepts in entsprechenden Anlagen demonstrieren.

Hohlfaserrohrbündel-Reaktor

Mit zwei sehr unterschiedlichen Modellreaktionen wollen die Partner zeigen, dass das Reaktorkonzept breit anwendbar ist. Evonik wird eine Demonstrationsanlage für die Hydroformylierung aufbauen. Sie verwandelt Olefine und Synthesegas in Aldehyde. Diese sind unter anderem Vorprodukte für Weichmacheralkohole. Linde dagegen will die Machbarkeit anhand der Wassergas-Shift-Reaktion zeigen, bei der Kohlenmonoxid (CO) und Wasser zu Wasserstoff reagieren. Wird für diese Reaktion CO beziehungsweise CO-haltiges Synthesegas aus Biomasse eingesetzt, wäre mit dem neuen Reaktorkonzept ein Weg gefunden, um zum Beispiel aus Holzabfällen Wasserstoff zu erzeugen.

Kern des neuen Konzepts ist ein Hohlfaserrohrbündel-Reaktor: Auf einem speziellen Trägermaterial soll ein homogener Katalysator fixiert und auf dessen Außenseite eine Membran aufgebracht werden. Nachdem am Katalysator die Reaktion stattgefunden hat, können je nach Beschaffenheit der Membran entweder das Produkt oder Nebenprodukte die Membran passieren. Das Prinzip ist bestechend einfach, birgt aber zahlreiche technische Herausforderungen, angefangen bei der Beschaffenheit von Träger, Katalysator und Membran bis hin zum modularen Aufbau des Reaktors, der das spätere Up-Scaling erleichtern soll. Die Forschungspartner decken die gesamte Prozesskette für die Umsetzung des Konzepts ab mit Kompetenzen an allen Schlüsselpositionen.

Zum Konsortium gehören neben Evonik die Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, die RWTH Aachen, die Technical University of Denmark, BioEnergy2020+ (Österreich), LiqTech International (Dänemark), das European Membrane House (Belgien), die Agencia Estatal Consejo Superior de Investigaciones Científicas (Spanien) und Linde.

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