gesponsertMehr als Rühren Rührtechnik im Dienst der Umwelt

Gesponsert von

EKATO Process Technologies GmbH

Für eine klimaneutrale und kreislauffähige Chemieindustrie sind mehr denn je Innovationen gefragt. Kann eine der klassischsten Prozesstechniken – die Rührtechnik – in die Zukunft führen? Drei Beispiele zeigen, dass es für nachhaltige Produkte auf innovative Rührprozesse ankommt.

Die Rühr- und Mischtechnik ist eine klassische Grundoperation der mechanischen Verfahrenstechnik. Sie ist in der Prozessindustrie sehr weit verbreitet und in fast jeder Prozesskette zu Hause. Die Prozesse allerdings ändern sich. Nachhaltigkeit, Effizienz und CO₂-Fußabdruck sind die Zeichen der Zeit. Darauf muss auch die Rührtechnik eine Antwort finden. Anhand von drei Beispielen wollen wir zeigen, dass gerührte Prozessschritte bereits heute auf dem Weg sind, das Rückgrat neuer, nachhaltiger Technologien zu bilden.

Beispiel 1: Chemisches Recycling von Kunststoffen

Die größten Plastikmüllfraktionen – ein gutes Beispiel ist der „gelbe Sack“ – enthalten neben den eigentlichen Wertstoffen viele Verunreinigungen, Metalle, Additive, Farbstoffe oder mehrlagige Folien. Diese Mischfraktionen lassen sich nur dann erfolgreich in einen Kreislauf zurückführen, wenn neben mechanischen auch chemische Recycling-Prozesse in größerem Maßstab etabliert werden.

Nicht nur Qualität und Reinheit des zu recycelnden Plastikmülls schwanken in der Regel stark, auch zentrale Parameter wie Schüttdichte, Partikelgrößenverteilung oder die Benetzbarkeit des Ausgangsmaterials spielen eine entscheidende Rolle.

Je nach Verfahren ist mit sehr hohen Viskositäten oder sogar höheren rheologischen Herausforderungen, beispielsweise Fließgrenzen, zu rechnen. In solch anspruchsvollen Medien sollten nicht nur die allgemeinen Mischprozesse wie Homogenisierung und Suspension, sondern auch die Wärmeübertragung zuverlässig funktionieren. Um die Ausgangsmasse entsprechend zu homogenisieren und im Reaktor auf die erforderliche Prozesstemperatur zu bringen, ist eine robuste und gleichzeitig effiziente Misch- und Rührtechnik erforderlich.

Bildergalerie

Für bestimmte chemische Recyclingverfahren, etwa thermische Verfahren, die mit Polymermischungen arbeiten, oder PET-Recyclingverfahren, sind einige Verfahren bereits weit über den Pilotmaßstab hinaus etabliert.

Einige lösungsmittelbasierte Verfahren, die sogenannte Solvolyse, sowie verschiedene katalysierte Verfahren sind mittlerweile auf dem Weg von der reinen, erfolgsversprechenden Prozessidee zur Pilotanlage. An dieser Stelle bietet EKATO das Prinzip des maßgeschneiderten Reaktorkonzepts an. Auf Basis von „Joint Development Agreements“ werden Reaktorkonzepte aus den im Labor erprobten Kundenprozessen entwickelt und als skalierbares, modulares System im Pilotmaßstab umgesetzt.

EKATO unterstützt innovative Unternehmen bei der Entwicklung von Depolymerisationstechnologien mit seinem Know-how und seiner Expertise in der Misch- und Reaktortechnik. Im EKATO-Technologiezentrum oder in auf den jeweiligen Kundenprozess zugeschnittenen Pilotanlagen können Prozesse mit unterschiedlichen Arten von Kunststoffabfällen unter realistischen Bedingungen im technischen Maßstab getestet und optimiert werden.

Basierend auf den Erkenntnissen aus Pilotversuchen entwickelt EKATO ein auf die Bedürfnisse des Kunden zugeschnittenes Reaktorsystem. EKATO nutzt moderne Engineering-Tools wie CFD und FEM, um komplexe Engineering-Probleme zu lösen und bessere und schnellere Designentscheidungen und Validierungen zu treffen – noch bevor der Depolymerisationsreaktor gebaut wird.

EKATO verfügt über das Prozess- und Engineering-Know-how, um Reaktorsysteme für die folgenden Depolymerisationsprozesse anzupassen – immer abgestimmt auf die spezifischen Prozess- und Betriebsbedingungen des Kunden.

gesponsert Chemical Recycling

Mixing Technology for Plastic Recycling

Beispiel 2: Ohne Rührtechnik kein Batterierecycling

Der globale Trend hin zur Elektromobilität führt in den kommenden Jahren zu einem rasant wachsenden Bedarf nach bestimmten Batterierohstoffen, zum Beispiel Lithium, Kobalt und Graphit. Dies liegt darin begründet, dass die gängigsten Kathodenmaterialien aus Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt (NMC-Akkumulatoren) oder Lithium-Eisenphosphat (LFP-Akkumulatoren) bestehen. Zunehmend wird die Rohstoffgewinnung und -verarbeitung von nur wenigen globalen Akteuren dominiert, was zu neuen Abhängigkeiten und möglichen Standortnachteilen in anderen Staaten führt, welche eine eigene Batterieindustrie anstreben. Auch die Abbaubedingungen in einigen Regionen werfen Fragen nach ökologischer und sozialer Verantwortung auf.

In der Europäischen Union (EU) werden genannte Batterierohstoffe deshalb bereits als kritische Rohstoffe gelistet (Critical Raw Materials bzw. CRMs). Erschwerend kommt hinzu, dass die derzeitigen Recyclingquoten vieler CRMs noch sehr gering sind. Zur Erhöhung der Versorgungssicherheit und Nachhaltigkeit bei der Batterieherstellung wurden daher in der EU gesetzliche Vorgaben erlassen, um die Recyclingquoten bis 2030 erheblich zu steigern. Auch umfangreiche Förderungen und allein die Marktpreise der zurück gewonnenen Materialien machen Investitionen in das Batterierecycling derzeit attraktiv.

Sicherheitstechnische Herausforderungen beim Batterierecycling stellen neben der Entladung der Batterien zunächst auch der Umgang mit den mitunter brennbaren Lösemitteln dar, welche im Elektrodenmaterial enthalten sind. Gängige Lösemittel sind z. B. Dimethylcarbonat (DMC), Ethylmethylcarbonat (EMC) sowie Ethylencarbonat (EC). Eine lokale Überhitzung oder ein Funke während des mechanischen Recylingprozesses kann so leicht zu Bränden bis hin zur Zerstörung der gesamten Anlage führen.

EKATO bietet im Rahmen der Vortrocknung von zerkleinertem Batterieschrott seine bewährte SOLIDMIX-Technologie an und hat diese für die Abtrennung der in den Batterien enthaltenen Lösemittel optimiert. Mittels Vakuumtrocknung können die Lösemittel schnell und zuverlässig aus dem Batterieschrott abgetrennt werden. Eine kontinuierliche Durchmischung des Trocknungsgutes sorgt für eine optimale Wärmeübertragung und -verteilung in der Apparatur, was die Effizienz der Trocknung zusätzlich erhöht. Durch den modularen Aufbau der Trockner ist eine leichte Skalierung hin zu größeren Trocknungskapazitäten möglich. Übliche Kapazitäten liegen dabei im Bereich von 0,5 bis 4 Tonnen pro Stunde.

Hierdurch wird nicht nur die Sicherheit in den nachfolgenden mechanischen Trennstufen erhöht, sondern auch eine Rückgewinnung der Lösemittel ermöglicht. Darüber hinaus erleichtert die Abtrennung der Elektrolyte die nachgelagerte hydrometallurgische Behandlung der sogenannten Schwarzmasse, welche die wertvollen Kathoden- und Anodenmaterialien enthält. Nicht zuletzt wird auch die Abwasserbehandlung nach der Hydrometallurgie vereinfacht, was die Umweltbelastung im Recycling senkt.

EKATO liefert mit seinen Vakuumkontakttrocknungslösungen einen wichtigen Beitrag zur Erschaffung einer Kreislaufwirtschaft im rasant wachsenden Geschäft der Autobatterien. Die Schaffung einer Kreislaufwirtschaft ist essenziell, um den umstrittenen und Umwelt zerstörenden Abbau von Schwermetallen in nicht selten Ur- und Regenwaldgebieten zu reduzieren. Schon jetzt können nicht nur die vorgegebenen EU-Quoten für Schwermetalle übertroffen werden, sondern auch bisher nicht berücksichtigte Komponenten wie die leicht und schwer siedenden flüssigen Komponenten zu über 99,7 Prozent zurückgewonnen werden.

Beispiel 3: Rührtechnik zur Herstellung biobasierter Polymere – die Bioraffinerie

Als Alternative zu den klassischen petrochemischen Verfahren, meist basierend auf Naphtha oder Erdgas, entwickelt sich die sogenannte Bioraffinerie. Die ursprünglichen Prozesse der Bioraffinerie basierten überwiegend auf Zucker als Ausgangsprodukt und standen somit im Wettbewerb zur Nahrungs- und Futtermittelerzeugung. Modernere Prozesse, sogenannte Bioprozesse der zweiten Generation, zielen darauf ab, nahezu alle Bestandteile von regenerativen Rohstoffen zu verwerten, also möglichst viele oder gar alle Pflanzenbestandteile.

Der analoge Gedanke liegt seit Jahrzehnten den Ölraffinerien zugrunde, weshalb sich das Grundkonzept der Bioraffinerie an den etablierten chemischen Abläufen der Petrochemie orientiert. Im ersten Schritt einer Bioraffinerie wird die Biomasse einer physikalischen Stofftrennung unterworfen. Die Haupt- und Nebenprodukte werden dann mikrobiologischen und/oder chemischen Umwandlungsreaktionen sowie thermischen Prozessen ausgesetzt.

Als Beispiel kann man eine Bioraffinerie auf Basis von Lignocellulose betrachten. Diese setzt als Ausgangsprodukt naturtrockene Rohstoffe wie Stroh, Gras, Waldrestholz oder auch cellulosehaltige Abfälle aus der Papierindustrie ein. Auf dieser Basis erzeugt man Produkte in drei verschiedenen Linien: In der Lignin-Linie können Klebstoffe, Bindemittel, Brennstoffe oder Chemieprodukte hergestellt werden.

Eine herausragende Rolle bei der Herstellung biobasierter Plattformchemikalien oder Monomere spielt die aerobe Fermentation. Dabei ist der gerührte Fermenter eine hocheffiziente Prozesslösung, insbesondere im Hinblick auf Stofftransport, Wärmeübergang und die dadurch erreichbare Ausbeute und Produktqualität. Im Anschluss an die Herstellung dieser biobasierten Monomere werden diese aufgereinigt, was häufig in einem Kristallisationsschritt passiert. Am Ende steht die Polymerisation oder Polykondensation zum biobasierten Polymer.

In allen Prozessschritten ist eine effiziente Prozess- und Rührtechnik der Schlüssel zum Erfolg. Will man das Verfahren dauerhaft etablieren, so sollte bereits in frühen Entwicklungsphasen auf die Skalierbarkeit des Prozesses geachtet werden.

(ID:49729727)