Anlagenbau & Prozesstechnik

Mit Simulation zur Flow Chemistry

Ehrfeld, Encos, DMT: Im Team vom Batch- zum Konti-Produktionsprozess

11.11.2020 - Um die Umstellung von Batch-Produktionsprozessen zu optimierten Konti-Prozessen zu erleichtern, bündeln Ehrfeld Mikrotechnik, Encos und die DMT Group ihr Know-how.

Um Anwender bei der Umstellung ihrer Batch-Produktionsprozesse zu optimierten Konti-Produktionsprozessen kompetent zu begleiten, bieten Ehrfeld Mikrotechnik, Encos und die DMT Group ihr Know-how und ihre Kompetenzen weltweit partnerschaftlich für Projekte an.

Die Veränderung des Produktportfolios weg von Commodities hin zu kundenspezifischen Spezialitäten zählt zu den aktuellen Herausforderungen der Prozessindustrie. Die Flow-Chemistry oder Milli- und Mikroreaktionstechnik (MRT) ist eine Technologieplattform, die hierfür enorme Vorteile bieten kann. Den Kern der gemeinsamen Strategie bildet der Miprowa-Produktionsreaktor von Ehrfeld sowie die von Encos für diesen Millistrukturreaktor maßgeschneiderte Prozesssimulationssoftware. Mit diesem integralen Konzept gelingt es, dem Anwender einen Service von der Prozesssimulation bis hin zur fertigen Anlage im Produktionsmaßstab zu bieten.

Technologie

MRT ersetzt den diskontinuierlichen Batch-Prozess durch ein kontinuierliches Verfahren, bei dem Reaktionen in Strukturen mit stark verkleinerter Bauweise stattfinden. Damit werden eine verbesserte Prozesskontrolle und die deutliche Verkleinerung von reaktiven Volumina erreicht.

Die Mikro-Reaktionstechnik liefert inzwischen entscheidende Impulse, um Anlagen der chemischen Verfahrenstechnik kompakter, effizienter und sicherer zu gestalten. Im Vergleich zu klassischen Reaktoren ist das Verhältnis von Oberfläche zu Reaktionsvolumen sehr viel größer. Dadurch lassen sich Reaktionstemperaturen besser steuern, unerwünschte Nebenreaktionen unterdrücken und die Prozessdauer signifikant verkürzen. Um dabei auch produktionsrelevante Durchsätze zu realisieren, wird das Prinzip der Mikrostrukturierung auf Strukturen im Millimeterbereich übertragen. Die exzellente Durchmischung und die vorzügliche Temperaturkontrolle mit kaum messbaren Temperaturgradienten über das gesamte Reaktionsvolumen sind in einem klassischen Batchreaktor nicht zu erreichen. Durch die exakte Beherrschbarkeit des Reaktionsprozesses lassen sich die Reaktionsparameter besser anpassen, was auf eine höhere Reinheit der Produkte und bessere Erträge hinausläuft. Die kleinen Reaktorvolumina in der Flow Chemistry / MRT ermöglichen die Ausweitung der physikalischen Prozessbedingungen zu höheren oder tieferen Temperaturen oder Drücken bei einer gleichzeitig sicheren und voll kontrollierten Einheit.

Der aus der Technologie resultierende wirtschaftliche Nutzen ergibt sich insbesondere durch die hohe Ausbeute und den geringen Anteil an Nebenprodukten, aber auch durch die nachhaltige Anlagensicherheit (Safety), einen geringerer Energieverbrauch und den besseren Carbon Footprint.

Simulation

Sowohl für die Optimierung bestehender als auch für die Planung neuer Anlagen ist die Prozesssimulation ein wesentliches Werkzeug zur Unterstützung des Entwurfs, der Analyse und des Betriebs verfahrenstechnischer Prozesse. Neben langjähriger verfahrenstechnischer Expertise bedarf es eines vertieften Prozessverständnisses und modernster Software, um das reale Verhalten einer Anlage auch in einem Rechenmodell fachgerecht abbilden zu können. Die umfassende Erfahrung von Encos auf dem Gebiet der Modellbildung und Prozesssimulation stellt hierfür eine zentrale Grundlage dar.

Teamwork

Durch die Zusammenarbeit des Reaktor-Herstellers Ehrfeld Mikrotechnik, des Prozess-Spezialisten Encos und des Anlagenbauers DMT Group ist es möglich, Konti-Prozess-Anlagen für die Chemie zu realisieren – in einem Anwendungsfeld, in dem man bisher auf Batch-Prozesse angewiesen war. Der Einsatz großer und wirtschaftlicher Millistruktur-Reaktoren ist auf dem Wege eines optimierten Scale-ups möglich. Gemeinsam wollen die drei Firmen insbesondere für schwer zu beherrschende Stoffsynthesen kontinuierlich arbeitende Produktionsanlagen im Turn-Key-Verfahren liefern. Der Kundennutzen besteht dabei aus dem integrierten Ansatz von Reaktorexpertise, Prozess-Know-how und internationaler Anlagenkompetenz, mit dem innovative Reaktortechnologie kombiniert mit Anlagenplanung und -bau aus einer Hand geliefert wird.

Der von Ehrfeld Mikrotechnik entwickelte Miprowa-Produktionsreaktors erlaubt es, anhand zweier Standard-Baugrößen alle relevanten reaktionstechnischen Parameter im Labormaßstab sowie die elementaren Prozessparameter im Technikumsmaßstab zu ermitteln. Für den entscheidenden Scale-up-Schritt zum Produktionsmaßstab haben Encos und Ehrfeld im Rahmen eines gemeinsamen F&E-Projekts eine Simulationssoftware entwickelt. Der Versuchsaufwand für Prozess-Entwicklung und Optimierung kann somit deutlich reduziert werden. Im Ergebnis lassen sich Reaktoren bis hin zu einer Produktionskapazität von 10.000 t/a und mehr effizient skalieren. Jeder dieser Reaktoren hat einen Durchsatz von ca.1 m³/h bei einer Nennweite von 400 mm und einer Länge von jeweils 7 m, was sie zu den größten Millistruktur-Reaktoren weltweit macht. Dabei bleiben alle Vorteile der Mikro-Reaktionstechnik erhalten.

Implementiert wird das neuartige System durch ausgefeilte Prozesssimulation und passgenauen Anlagenbau unter Federführung der DMT Group. Die Prozessentwicklung erfolgt maßgeschneidert für das kundenseitige Produkt. Die Koordination der Spezialisten von Ehrfeld Mikrotechnik und Encos sowie die Projektrealisierung werden weltweit durch DMT gewährleistet.

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