Kompaktanlagen im Containerformat schaffen mithilfe von Prozessintensivierung die Anlagenplattform der Zukunft

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Das Herz ist der Reaktor mit den Einheiten zur Aufreinigung der Edukte. Auch sonst lässt der Container kaum Wünsche offen: Es gibt einen Prozessleitraum, IT-Module, damit Sensoren auf kurzen Wegen angesteuert werden können, aus Gebinden werden die Einsatzstoffe zum Prozess gefördert, die Atmosphäre kann prozessspezisch mit Pressluft definiert werden, gerichtete Gasströme leiten Emissionen in die gewünschten Apparaturen, wo sie weiterverarbeitet werden, Wandelemente fixieren die Apparate in den gewünschten Positionen. Integriert sind alle Elemente des konstruktiven Brandschutzes, Fluchttüren und last but not least Auffangwannen nach Wasserhaushaltsgesetz.

„Alles ist unter dem Gesichtspunkt Energie- und Rohstoffeffizienz konzipiert“, betont Lang. Die kurzen Wege ermöglichen eine gute Wärmeintegration. Wollen die Verfahrenstechniker die Ergebnisse einer Pinchanalyse umsetzen – bei Rohrleitungen von wenigen Zentimetern Länge ist das eine Sache von wenigen Handgriffen. Der Produktausstoß ist abhängig von der Zahl der Prozessstufen, liegt bei etwa 200 Tonnen im Jahr und entspricht damit dem Marktbedarf vieler Spezialchemikalien.

Im Visier hat Lang vor allem Produkteinführungen, für deren Herstellung Neuinvestitionen nötig sind. Natürlich hängen die Investitionskosten von den Rahmenbedingungen ab, sagt er, doch eigene Erfahrungen zeigten, dass es oft günstiger sei, in dedicated Container-Anlagen zu investieren.

Jeder Evotrainer ist ein Maßanzug für die Reaktion, die darin stattfinden soll. Geschneidert von den Engineering-Spezialisten bei Evonik, welche die eingesetzte Apparatur an die Chemie anpassen. Der Charme des Konzeptes liegt in seiner Vielseitigkeit: Im Container kann sich ein kompletter chemischer Betrieb verstecken, aber auch nur ein Modul, etwa ein Reaktor oder eine Aufarbeitung. In jedem Fall ist das Engineering alles andere als trivial. Eine entscheidende Herausforderung an das Konzept sei der geringe und daher kostbare Bauraum, betont Lang. „Unsere Ingenieure müssen sehr viel Intelligenz dazu verwenden, alle Funktionalitäten, die ein chemischer Betrieb aufweisen muss, in dem engen Raum zur Verfügung zu stellen.“

Anspruchsvolle Kriterien

Zurzeit sind die Copiride-Entwickler dabei, die Chemie für die fünf Musterreaktionen aus den Bereichen Lebensmittelzusatzstoffe, Ver-edelung nachwachsender Rohstoffe, Biotreibstoffe, Biomassenumwandlung und Spezialchemie sowie die optimalen Prozessfenster auszutüfteln. Die Teilprojekte werden jeweils von einem Duo aus Unternehmen und Hochschule bearbeitet:

Epoxidierung (Mythen, Universita Degli Studi di Napoli Federico II.)

Biodieselproduktion (Chemtex, Politecnico di Torino)

Ammoniakproduktion (ITI Energy, University of Newcastle upon Tyne)

Polymerreaktion 1 und 2 (Evonik, Universität Stuttgart)

Zuckeroxidation und -hydrierung (Åbo Akademi).

Für jede Reaktion gibt es vier ganz konkrete Ziele, die sich an spezifischen und messbaren („harten“) Kriterien orientieren. So geht es z.B. darum, Kapitalkosten zu senken, Kohlendioxidemissionen zu reduzieren, operative Kosten zu halbieren, oder um eine Anlagenverkleinerung um 90 Prozent, wie bei der Ammoniaksynthese. „Diese Kriterien legen wir zugrunde, um die Prozessfenster zu definieren“, erklärt Koordinator Prof. Dr. Volker Hessel.

Hessel, Direktor des Instituts für Mikrotechnik in Mainz, ist nicht nur Koordinator, sondern auch der Initiator von Copiride. Der studierte Chemiker ist Pionier der Mikroreaktionstechnik und möchte u.a. eine Prozesstechnik entwickeln, „die der Schnelligkeit und Leistungsfähigkeit der mikrostrukturierten Reaktoren auch gerecht wird.“ „Wir wollen einen Reaktor, der viel mehr kann und zielen deshalb auf neue Prozessfenster ab, in denen Prozesse um den Faktor 1000 schneller ablaufen.“ Mikroreaktionstechnik ist ein Mittel, mit dem dieses Ziel erreicht werden soll, aber beileibe nicht das einzige. Hessel sieht die Mikroreaktoren als Enabling-Technologies, Dogmen sind nicht seine Sache. „Wir wollen Mikro dort einsetzen, wo es Sinn macht. Manchmal reichen auch Mesostrukturen.“ Ein wichtiges Instrument des Projekts ist daher eine Wirtschaftlichkeits- und Nutzenanalyse, denn schnell ist zwar gut, aber viel wichtiger ist es Hessel, den optimalen Kompromiss zwischen Schnelligkeit und Wirtschaftlichkeit zu finden.

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Zur Person: Dr. Jürgen Lang

Dr.-Ing. Jürgen Lang hat Hochfrequenztechnik an der Universität Karlsruhe studiert und 1999 am Institut für physikalische Elektronik der Universität Karlsruhe promoviert. 1987 trat er in das Fraunhofer Institut für Systemtechnik und Innovationsforschung (ISI) in Karlsruhe ein. Seit 2000 arbeitet er bei Evonik im zentralen Servicebereich Verfahrenstechnik und Engineering (TE). 2010 wechselte er in das Innovationsmangement des Bereichs TE.

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Nachgefragt

„Wir wollen die Welt nicht beglücken“

Wer den Evotrainer ausprobiert, soll von den Ergebnissen überzeugt sein. Daher sehen Prof. Dr. Volker Hessel (IMM Mainz) und Dr. Jürgen Lang (Evonik Degussa) das Konzept nicht als Wettbewerb, sondern als Teil eines Innovationsprozesses.

PROCESS: Herr Dr. Lang, der Vergleich des Copiride-Projekt mit dem F3-Projekt drängt sich auf, u.a. auch, da beide unter dem Slogan „Fabrik der Zukunft“ laufen. Wo liegen die Unterschiede?

Lang: Wir bringen einen systemtheoretischen Ansatz für alternative Produktionskonzepte zur Diskussion. Allerdings ist das Gedankengebäude bei Copiride nicht so breit, nicht so visionär, wie bei F3. Wir setzen auf den Container und fokussieren uns auf die Standardisierung der Infrastruktur. Im Gegensatz dazu belassen wir den chemischen Prozess unikat in der Anpassung der Apparatur. In anderen Worten: Wir sehen das Copiride-Projekt eher als Ergänzung und Teil eines Innovationsprozesses.

PROCESS: Herr Prof. Dr. Hessel, welches Ziel verfolgen sie bei Copiride mit dem Einsatz der Mikroreaktionstechnik?

Hessel: Es ging uns nicht darum, zum wiederholten Male zu zeigen, dass Mikroreaktoren in ihren Bereichen über inhärente Sicherheit verfügen oder dass sich damit bessere Selektivitäten und höhere Ausbeuten erzielen lassen. Das ist heute schon fast trivial. Unser Ziel ist es, die Mikroreaktoren an eine Produktionsumgebung anzukoppeln, die per se bereits dafür geeignet ist.

PROCESS: Die Ergebnisse von EU-Projekten sind schon öfter in der Schublade verschwunden, da es mit der Umsetzung nicht klappte. Wie praxisnah ist Copiride?

Hessel: Wir betreiben keine Spielereien, sondern wir wollen ein Produkt in Händen halten, mit dem wir hinterher auf den Markt gehen können. Für eine kleine Firma wie Mythen wäre ein Scheitern existenzbedrohend. Es geht nicht darum, theoretisch Möglichkeiten auszuloten. Wir sind keine Revolutionäre, die davon träumen, was in 30 Jahren kommt. Die Container sind da und es gibt auch schon Interessenten.

PROCESS: Welche Veränderung in der Prozessentwicklung ziehen Konzepte wie der Evotrainer nach sich?

Lang: Neue Technologien sind immer mit Know-how-Aufbau und Ausbildung verknüpft. Wir durchlaufen hier gerade eine Lernkurve, wobei die Innovation an den Anfang rückt und in interdisziplinären Teams aus Chemikern und Ingenieuren erarbeitet wird, damit der Container auch sein ganzes Potenzial entfalten kann. Die Frage, wie will ich meinen Prozess industriell betreiben, sollte schon zu Beginn der Entwicklung gestellt werden, da von uns erwartet wird, Chemie flexibler, schneller und schlanker bereitzustellen. Das erreicht man nicht mit dem klassischen Ansatz, das geht nur, wenn Chemiker und Verfahrenstechniker zusammenarbeiten.

PROCESS: In den Betrieben gibt es oft beachtliches Beharrungsvermögen. Wie wollen Sie das überwinden?

Lang: Der Einsatz neuer Konzepte ist immer eine individuelle Entscheidung. Wir wollen die Welt nicht beglücken, sondern wer sich mit dem Container beschäftigt, erkennt, dass das Konzept funktioniert. Letztlich müssen Berührungsängste überwunden werden.

Herr Prof. Dr. Hessel, Herr Dr. Lang, wir danken Ihnen für das Gespräch.

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Zur Person: Prof. Dr. Volker Hessel

Prof. Dr. Volker Hessel hat an der Uni Mainz Chemie studiert und dort 1993 in Organischer Chemie promoviert. 1994 trat er in das Institut für Mikrotechnik in Mainz ein, wo er 1996 Gruppenleiter Mikroreaktionstechnik wurde. 1999 ist er zum Leiter der Abteilung Mikroreaktionstechnik ernannt worden und 2002 zum Vice Director R&D. Seit 2007 leitet er als Direktor die Forschung und Entwicklung im Direktorat „Chemical Micro and Milli Process Technology“ des IMM. Im Juli 2005 wurde er zum Professor für „Micro Process Engineering“ an der Eindhoven University of Technology ernannt.

Test bestanden

Evonik selbst ist mit zwei Polymerreaktionen beteiligt, und Lang hat bereits einen Etappensieg errungen. „Für eine Beispielreaktion geben wir gerade einen Evotrainer in Bestellung.“ In einem Jahr soll die Produktionsanlage fertig sein.

Dass die ausgewählten Applikationen aus verschiedenen Branchen stammen und daher auch sehr unterschiedliche Firmen im Boot sind, liegt am erklärten Ziel Hessels, Mikroreaktionstechnik und Prozessintensivierung in Bereiche zu tragen, die bisher wenig Kontakt damit hatten. Industriepartner sind neben Evonik zwei italienische Unternehmen (Chemtex, Mythen), ein finnisches (Avo Academi) und ein schottisches (ITI Energie). „Wir haben uns mit Italien als Testmarkt den viertgrößten Chemieproduzenten in Europa ausgesucht“, erklärt Hessel.

Der Zeitrahmen für das Copiride-Projekt ist ehrgeizig. Hessel plant nämlich, bereits Ende dieses Jahres mit dem Bau des Piloten zu beginnen. Die Hälfte der Projektlaufzeit will er nutzen, den Container zu betreiben. Dann, sagt er, wird sich die Spreu vom Weizen trennen.

* Die Autorin ist Redakteurin bei PROCESS.

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