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Verfahrenstechnik 10/2015

Verfahrenstechnik 10/2015

Vielfältig einsetzbar

Vielfältig einsetzbar Zielgerichtete Prozessentwicklung für die Herstellung von Spezialpolymeren Bernd Nienhaus, Werner Himmelsbach Die Bedeutung von Spezialpolymeren nimmt im Vergleich zu den traditionellen Massenprodukten stetig zu. Durch gezielte Unterstützung der Hersteller während der Prozesssynthese und -entwicklung ist es möglich, eine signifikante „Shorter time to market“ zu erreichen. Pilotanlage für einen Konti-Polymerisationsprozess Das Herstellverfahren für ein Polymer richtet sich weitgehend nach dem kinetischen Ablauf des Prozesses, nach dem Einsatzzweck des Produktes und nach wirtschaftlichen Gesichtspunkten. Nach wie vor sind der mengenmäßig größte Anteil der weltweit hergestellten Polymere Massengüter, sogenannte Commodities, die nach Spezifikation über den Preis verkauft werden. Zu diesen Polymeren gehören zum Beispiel Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) oder Polyvinylchlorid (PVC). Ein stetig wachsender Marktanteil gehört jedoch den sogenannten Spezialpolymeren, die sich meist über besondere Eigenschaften wie Leitfähigkeit oder hohe Temperatur- oder Chemikalienbeständigkeit definieren. Die Einsatzgebiete dieser Materialien sind vielfältig, sie reichen von der Elektronikbranche über Luftfahrt und Automobilität, Energieerzeugung und -speicherung bis hin zur Medizintechnik. Um ihre Wettbewerbsfähigkeit zu verbessern, erstreben Hersteller von Spezialpolymeren hohe Produktqualitäten bei gleichzeitig kostengünstiger Herstellung. Darüber hinaus steht in zunehmendem Maße die „shorter time to market“ im Fokus, das heißt, die Zeit der Produktentwicklung bis hin zu einer produktionsbereiten Anlage auf ein Minimum zu reduzieren. Autor: Dr. Bernd Nienhaus, Senior Process Engineer F&E, Werner Himmelsbach, Leiter Forschung & Entwicklung, EKATO Holding GmbH, Schopfheim

VERFAHREN UND ANLAGEN Kernfaktoren der Polymer-Prozessentwicklung Nicht nur für die späteren Investitions- und Betriebskosten, sondern auch für Faktoren wie Robustheit und Flexibilität der zukünftigen Produktionsanlage ist die Prozessentwicklung maßgeblich. Visualisiert man den Ablauf einer solchen Prozessentwicklung vom „fertigen“ Laborprodukt bis hin zur Produktionsanlage, so steht schon relativ schnell die Entscheidung über einen absatzweise (batch) betriebenen oder kontinuierlichen Produktionsprozess an. Bis zum heutigen Tag gilt als dominierender Faktor für die Wahl der Fahrweise die spätere Produktionskapazität. So sind für die Commodity-Polymere nahezu ausschließlich kontinuierliche Verfahren im Einsatz. Die kontinuierliche Fahrweise wird jedoch zunehmend auch für Spezialpolymere und kleinere Produktionsmengen attraktiv, da zum Beispiel durch das Konzept der Kombination von Rührkessel und Rohrreaktor bestimmte Verweilzeitverteilungen realisierbar werden, was die Einstellung einer gezielten Molmassenverteilung bei der Polymerisation erlaubt – diese Molmassenverteilung stellt in zunehmendem Maße eine qualitätsbestimmende Eigenschaft des Polymerproduktes dar. Darüber hinaus bietet ein kontinuier licher Prozess generelle Vorteile etwa aufgrund des Wegfallens von Rüstzeiten oder auch geringerem Anlagenvolumen, was zudem sicherheitstechnische Vorteile bietet. Ein absatzweise betriebener Prozess wird jedoch immer dann Vorteile haben, wenn die Herstellung mehrerer Produkte auf einer Anlage („Multi-Purpose“) oder stark unterschiedliche Produktspezifikationen gefordert werden. Systematische Prozessentwicklung Aufgrund der „shorter time to market“ herrscht bei der Prozessentwicklung üblicherweise ein hoher Zeitdruck. Um nichtsdestotrotz die bestgeeignete Prozessvariante zu finden und umzusetzen, sind zunächst gezielte Voruntersuchungen erforderlich. Daraufhin erfolgt die Pilotierung des Prozesses, wobei neben der Einstellung der Prozessparameter die sichere Skalierbarkeit auf den Zielmaßstab Berücksichtigung finden muss. Die seit Juni 2015 bestehende Kooperation zwischen der Fluitec AG (Hersteller von Labor-Pilotanlagen sowie Mischer- Wärmetauschern, Neftenbach, CH) und der Ekato Rühr- und Mischtechnik (Hersteller und Entwickler von Reaktorrührwerken und Prozessanlagen, Schopfheim, DE) setzt sich zum Ziel, Hersteller von Spezialpolymeren bereits in sehr frühen Phasen der Prozessentwicklung zu unterstützen. Anhand von drei kurzen Beispielen soll gezeigt werden, wie Polymerhersteller bei der Findung eines geeigneten Produktionsprozesses für ein Spezialpolymer sinnvoll unterstützt werden konnten. Die zurzeit meistproduzierten biologisch abbaubaren Polymere sind Poly(L-lactide) und Copolymere aus Lactiden. Sie lassen sich ionisch mittels kationischer bzw. anionischer Initiatoren oder in Gegenwart spezieller Metallverbindungen polymerisieren. Besonders vorteilhaft bei der CSTR-Reaktorschaltung mit nachgeschalteter Verweilzeitstrecke ist, dass gerade während der Verfahrensentwicklung die Verweilzeit eingestellt werden kann. Auf der kontinuierlichen Polymerisationsanlage von Fluitec wurde mit einer Kapazität von 1000 Jahrestonnen PLA produziert. Im Falle der Block-Copolymerisation eines neuen, synthetischen Elastomers wurde der Kunde bereits während der Laborentwicklung im Hinblick auf rührtechnische Fragestellungen und durch rheologische Messungen unterstützt. Aufgrund des blockweisen Aufbaus des Polymers sowie noch variabler Produkteigenschaften fiel die Wahl auf einen flexiblen Batchprozess. Das Basic Engineering für den gerührten Reaktor inklusive Peripherie konnte aufgrund der engen Zusammenarbeit innerhalb weniger Wochen nach Fertigstellung der Laborentwicklung geliefert werden. Zur Herstellung eines Polymers auf CO 2 -Basis wurden unterschiedliche Reaktormodelle miteinander verglichen und Vorab-Kostenschätzungen durchgeführt. Aufgrund der Zielsetzungen im Hinblick auf die Produktqualität und auf Basis der Kostenschätzungen wurde die Pilotierung in einer kontinuierlichen Reaktorkaskade vorgeschlagen. Darüber hinaus erfolgte eine begleitende CFD-Studie, die die Temperaturverteilung in den Reaktoren bei unterschiedlichen Fahrweisen und Reaktionsbedingungen fokussierte. Im Rahmen des nachfolgenden Basic Engineering gelangte der Hersteller in nur wenigen Monaten vom Laborprodukt zur fertigen Pilotanlage. www.ekato.de

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