Allianz für effizientere Prozesse und Apparate in der Chemieindustrie
Die von der Helmholtz-Gemeinschaft geförderte Energie-Allianz „Energieeffiziente chemische Mehrphasen-Prozesse“ zieht nach dreieinhalbjähriger Tätigkeit auf einem Abschluss-Symposium Bilanz. Rund 60 Teilnehmer aus Forschung und Industrie stellten vom 30. November bis zum 1. Dezember im Festsaal des Rektorats an der TU Dresden ihre Ergebnisse vor, mit denen die Effizienz von Prozessen der chemischen Verfahrenstechnik gesteigert werden soll. Koordiniert wird der Verbund aus sieben Partnern durch das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR).
„Die deutsche chemische Industrie ist der sechstgrößte industrielle Arbeitgeber und damit einer der wichtigsten Industriezweige der deutschen Wirtschaft“, sagt der Koordinator der Helmholtz-Energie-Allianz, Prof. Uwe Hampel vom HZDR. Gleichzeitig handelt es sich um Deutschlands größten Energieverbraucher, weshalb das Thema Energieeffizienz für die chemische Industrie sowohl aus wirtschaftlicher als auch aus ökologischer Sicht enorm wichtig ist. Dieser Industriezweig bietet zugleich viele Ansätze zur Energieeinsparung. So können Prozesse durch effizientere Wärmerückgewinnung verbessert, elektrische Anlagenkomponenten modernisiert und Prozessabläufe besser automatisiert werden. Prof. Hampel: „Unser Augenmerk liegt besonders auf Reaktionsapparaten mit dem Ziel, die darin ablaufenden, chemischen Synthesen zu optimieren.“ Hier besteht ein großes Energieeinsparpotenzial: Wenn es gelingt, die Synthesen etwa für die Grundstoffe der chemischen Industrie in den großen Reaktoren selektiver zu machen, muss in den nachfolgenden Prozessstufen weniger Energie für die Produktaufbereitung, zum Beispiel durch Destillation, eingesetzt werden.
Stoffgemische wie Flüssig-Dampf- oder Gas-Flüssig-Feststoff-Gemische kennzeichnen die vielen Prozessschritte, die nötig sind, um zu reinen chemischen Produkten zu gelangen. Die meisten Synthesen finden demnach in sogenannten Mehrphasen-Reaktoren statt. Die dort auf verschiedenen Skalen ablaufenden Strömungsprozesse sind für den optimalen Reaktionsablauf entscheidend. Was nun im wissenschaftlichen Labor im Reagenzglas problemlos funktioniert, kann nicht einfach auf große Chemiereaktoren übertragen werden. Deshalb liegt ein Schwerpunkt der Helmholtz-Energie-Allianz auf den methodischen Themen der Skalierung und Modellierung von Mehrphasen-Reaktionsprozessen. Die sieben Partner – neben dem HZDR zählen dazu das Karlsruher Institut für Technologie (KIT), die Universitäten TU Dresden, Ruhr-Universität Bochum, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, TU Hamburg-Harburg sowie das Fraunhofer-Institut für Keramische Systeme und Technologien (IKTS) in Dresden – haben sich aber auch mit vielen weiteren Themen beschäftigt. Dazu gehören neuartige Mehrphasen-Reaktoren, angefangen von Mikrostruktur-Apparaten bis hin zu neuen, großskaligen Reaktorkonzepten. Die Forscher haben zudem neue Strategien für eine optimierte Prozessführung entwickelt und dank innovativer Messtechniken die Vorgänge in Chemiereaktoren sehr genau studiert.
Neue Katalysatoren – Vom Modell über die Fertigung bis zum Einsatz
Ein weiterer Schwerpunkt der Allianz lag in der Entwicklung maßgeschneiderter Katalysatoren für spezielle Mehrphasen-Prozesse. Katalysatoren sind für die meisten Synthesen unverzichtbar. So standen neue Katalysator-Strukturen aus keramischen und metallischen Monolithen und Schäumen sowie dafür maßgeschneiderte metallische Trägerstrukturen und innovative Fertigungsverfahren im Fokus. Mit neuen Berechnungsverfahren konnten die Forscher Strömung, Stoff- und Wärmetransport, aber auch die chemische Reaktion – von der einzelnen Katalysator-Pore bis zum gesamten Reaktionsapparat – modellieren. Die Arbeiten rund um Katalysatoren zählen zu den wissenschaftlichen Highlights der Helmholtz-Energie-Allianz.
Doch nicht nur ingenieurtechnische und physikalisch-chemische Forschungen spielen in der Helmholtz-Energie-Allianz eine Rolle. Vielmehr tragen dedizierte Systemanalysen dazu bei, die Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit neuer Reaktortechnologien über den gesamten Lebenszyklus hin zu bewerten. Dass die Forschung ausgesprochen anwendungsorientiert ist, zeigt sich auch beim Wissenschaftlich-Technischen Beirat, der mit Vertretern bedeutender Industrieunternehmen besetzt ist: BASF AG, Evonik Industries, Linde AG, Bayer Technology Services und INEOS Phenol GmbH, aber auch die Abo Academy aus dem finnischen Turku gehört dazu.
Auf dem Abschluss-Symposium in Dresden präsentierten sechs Gastredner die Themen Reaktortechnik, Katalyse, Reaktionsführung, Wärmeintegration, Mehrphasen-Fluiddynamik und Automatisierungstechnik, die allesamt mit der Prozesseffizienz in der chemischen Industrie zu tun haben. Insgesamt haben in der Helmholtz-Energie-Allianz 70 Wissenschaftler mitgewirkt, darunter 20 Doktoranden. Die Fördersumme lag bei knapp fünf Millionen Euro.
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