Skalierung jenseits von Limiten. Extreme. Die gängigen Methoden zur Übertragung von Ergebnissen aus dem

Transkript

1 Die gängigen Methoden zur Übertragung von Ergebnissen aus dem Pilotmassstab auf grosse industrielle Anlagen sind in der Trenntechnologie nur begrenzt anwendbar. Mitunter müssen Ingenieure Anlagen konstruieren, deren Grösse weit über die Grenzen bisheriger Erfahrungen hinausgeht. In diesem Fall basieren die erforderlichen Extrapolationen auf umfangreicher Erfahrung, Wissen über die spezifischen Trenntechnologien und sorgfältiger Berücksichtigung der Kundenerwartungen. 1 Das erfolgreiche Scale-up eines grossen Destillationskomplexes führte zu weiteren Aufträgen in ähnlicher Grössenordnung. Skalierung jenseits von Limiten 14 Wenn ein Chemie- oder Pharmaunternehmen auf der Suche nach Technologien für die Trennung und Aufreinigung seiner Chemieprodukte ist, hat es normalerweise bereits genaue Vorstellungen hinsichtlich der gewünschten Produktionskapazität. Die Nennlast der Anlage und die erforderliche Produktqualität werden anhand des bestehenden Marktbedarfs und von Zukunftsprognosen bestimmt. Angesichts einer steigenden Nachfrage und rationalisierter Produktionen werden immer mehr Grossanlagen verlangt. Gleichzeitig wird die Übertragung von Versuchsergebnissen aus dem Pilotmassstab in den industriellen Massstab immer anspruchsvoller. Die von Ingenieuren verwendete Methode zur Berechnung und Konstruktion von Apparaten im industriellen Massstab auf der Grundlage von Versuchen im kleinen Massstab wird als «Scale-up» bezeichnet.1 Manche Apparate können direkt vom Labormassstab in den Industriemassstab übertragen werden. Andere erfordern die Konstruktion einer Anlage im Pilot- oder halbindustriellen Massstab als Zwischenschritt. Der sogenannte Scale-up-Faktor ist definiert als die Grösse der «hochskalierten» Ausrüstung bzw. Anlage geteilt durch die Grösse der Pilotanlage. Die Einhaltung typischer Scale-up-Faktoren begrenzt die Gefahr einer fehlerhaften Auslegung und sichert damit, dass die Anlage letztendlich den Vorgaben des Kunden entsprechend produziert. Allerdings stellt jeder Schritt eine erhebliche Investition dar. Ausgangspunkt für das Scale-up bei Sulzer sind Pilotversuche in der Grössenordnung von einigen Kilogramm Produktmenge pro Stunde. Anhand der Ergebnisse kann dann eine Anlage konzipiert werden, die in der Lage ist, mehrere Tausend Kilogramm

2 pro Stunde zu verarbeiten. Da der Grossteil der von Sulzer gelieferten Ausrüstung proprietär ist, handelt es sich hierbei um eine anspruchsvolle Aufgabe, die eine solide theoretische Grundlage und fundierte Kenntnisse der betreffenden Technologien erfordert. Dank ihrer Erfahrung sind die Ingenieure von Sulzer in der Lage, ein hochskaliertes Design zu entwickeln, das genau genug ist, um dem Kunden eine bestimmte Anlagenleistung zu garantieren. Doch mitunter fordern die Vorgaben des Kunden eine Kapazität, die alle bisherigen Auslegungen übersteigt. Tatsächlich kann der geforderte Massstab so gross sein, dass die Grundlage und sogar die Methode für das Scale-up infrage gestellt werden. In diesen Fällen sind besondere Fähigkeiten erforderlich, um die aussergewöhnlichen Komplikationen, die mit solch riesigen Schritten einhergehen, erfolgreich vorhersagen zu können. Scale-up von Destillationskolonnen Die Destillation ist eine sehr bekannte und äusserst leistungsstarke Trenntechnologie. Sulzer baut und betreibt Rektifikationskolonnen in vielen verschiedenen Grössen. Sehr schlanke Kolonnen mit einer Höhe von bis zu 90 m und einem Durchmesser von weniger als 0,10 m werden zur Trennung von Isotopen verwendet. Auch Kolonnenabschnitte mit einem Durchmesser von über 15 m und einer Höhe von weniger als 2 m für das Waschbett von Rohöl-Vakuumkolonnen werden bei Sulzer ausgelegt und gebaut. Einige Rektifikationskolonnen arbeiten mit hohem Druck, andere bei tiefem Vakuum. Die Herausforderungen des Scale-up sind wohlbekannt und wurden bereits von vielen Autoren untersucht und beschrieben.2 Trotzdem verlangen neue Anforderungen des Marktes wie eine höhere Reinheit und grössere Produktionsleistungen regelmässig die Überschreitung bisheriger Erfahrungsgrenzen. Ein Kunde benötigte eine Aufbereitungsanlage für MDI (Methylendiisocyanat), ein Monomer, das zur Herstellung von Polyurethan verwendet wird. Ein Kernproblem bei dieser Anwendung ist die gleichmässige Verteilung einer geringen Flüssigkeitsmenge über den Kolonnenquerschnitt. Trotz vorhandener Erfahrungen mit einer Pilotkolonne mit einem Durchmesser von 0,10 m und industrieller Erfahrung mit Produktionsleistungen von bis zu 50 ktpa (Kilotonnen pro Jahr) stellte die Auslegung der Anlage für eine Produktion von mehreren 100 ktpa bei einem sehr niedrigen Betriebsdruck eine Herausforderung dar. Sulzer gelang es, eine ausreichende Flüssigkeitsverteilung über den gesamten Durchmesser sicherzustellen und den Druckabfall auf ein Minimum zu begrenzen. Um die Bildung von Nebenprodukten zu reduzieren, musste ausserdem der Flüssigkeitsinhalt der Kolonne so gering wie möglich gehalten werden. Eine weitere Herausforderung bestand darin, die Anlage so zu dimensionieren, dass die Kopfbrüden mit einer Leistung von mehreren Megawatt bei einem absoluten Druck von wenigen Millibar kondensiert werden. Die Anlage wurde erfolgreich in Betrieb genommen und läuft seit mehreren Jahren profitabel (Bild 1). Auslegung von grossen Flüssig-Flüssig-Extraktionssystemen Es gibt mehrere industrielle Technologien für die Flüssig-Flüssig-Extraktion.3 Eines der effizientesten 2 Für diese Flüssig-Flüssig-Extraktionsanlage (links) wurde das Rührsystem auf einen Durchmesser von fast 3 m skaliert (rechts). 15

3 Systeme ist die gerührte Kolonne. Diese besteht aus einer Reihe vertikal übereinander angeordneter Kammern mit Rührelementen, die durch Stauscheiben voneinander getrennt sind (Bild 2 links). Die grössten Herausforderungen bei der Auslegung von Flüssig-Flüssig-Extraktionssystemen sind die sich verändernden physikalischen Eigenschaften entlang der Kolonne und die stark schwankenden internen Durchflussmengen, wenn grosse Stoffmengen zwischen den beiden flüssigen Phasen ausgetauscht werden. Die gerührte KühniTM-Kolonne ECR kann für solche Bedingungen ausgelegt werden. Sobald das Gleichgewichtsdiagramm der Phasen zur Verfügung Scale-up bei Sulzer Mithilfe von Erfahrung und Prozesssimulationen bestimmt die Geschäftseinheit Process Technology von Sulzer Chemtech die wirtschaftlichste Lösung. Erfüllt diese die Erwartungen des Kunden, bietet Sulzer einen Pilotversuch an, um das Konzept mit den tatsächlichen Einsatzstoffen zu validieren und die spezifizierten Produktkonzentrationen zu bestätigen. Davon ausgehend entwirft und fertigt Sulzer die Anlage im industriellen Massstab und liefert diese an den Kunden. 3 Transport eines grossen Fallfilmkristallers zum Kundenstandort. 16 steht, wird ein Versuch im Pilotmassstab mit einem Durchmesser von 0,06 m durchgeführt, um die Auslegung zu bestätigen. Für das Scale-up auf einen Durchmesser von über 1 m müssen zusätzlich hydrodynamische Parameter wie der Flutpunkt mittels einer Pilotkolonne von 0,15 m Durchmesser überprüft werden. Ein Kunde beabsichtigte, Phosphorsäure in Lebensmittelqualität aus einem Rohsäurestrom zu gewinnen, der mehrere Verunreinigungen wie Sulfat und verschiedene metallische Ionen enthielt. Sulzer konnte bereits mehrere Referenzen für diese Anwendung mit gerührten Kolonnen vom Typ ECR vorweisen. Normalerweise verarbeiten industrielle Kolonnen Zulaufströme von einigen Tonnen in der Stunde. In diesem Fall jedoch betrug der Zulaufstrom über 30 t pro Stunde, und für das Verfahren waren drei sehr grosse, hintereinander geschaltete Flüssig-Flüssig-Extraktionskolonnen erforderlich (Bild 2 rechts). Bei der Skalierung des Rührsystems auf einen Durchmesser von fast 3 m war es wichtig, die Höhe der gerührten Zellen zu begrenzen, um die Gesamthöhe der Kolonnen zu minimieren. Hinzu kam ein aussergewöhnlich hohes Verhältnis des Zulaufs zum Lösungsmittel von über 25 : 1, was die Aufgabe zusätzlich komplizierte. Wichtig bei der Lösung war es, die Geometrie der Einbauten entlang der Kolonnenhöhe anzupassen, um den sich verändernden hydrodynamischen Bedingungen Rechnung zu tragen. Die Kolonnen wurden an den Kunden in den USA ausgeliefert und sind seit über 25 Jahren in Betrieb.

4 Schmelzkristallisationsanlagen mit riesiger Kapazität Die Kristallisation ist eine äusserst effiziente Trenntechnologie.4 Die Schmelzkristallisation basiert auf dem thermodynamischen Prinzip, dass Verunreinigungen vorzugsweise in der flüssigen Phase verbleiben und nicht in die Kristalle eingebaut werden. Das Verfahren wird für viele Anwendungen wie die Entölung von Paraffin und die Reinigung von Monomeren genutzt. In Verbindung mit der Destillation wird es z. B. zur Gewinnung von reinem MDI und Chlornitrobenzol eingesetzt. Üblicherweise wird dieses Verfahren in einer Pilotanlage getestet und optimiert, danach ist das Scale-up in den industriellen Massstab eine relativ einfache Multiplikation der in der Versuchsanlage verwendeten Standardelemente. Für Anwendungen wie Acrylsäure oder Paraxylol ist ein sehr grosses Scale-up möglich. Hierbei werden Pilotversuche mit Probemengen von kg verwendet, um Grossanlagen mit Kapazitäten von über 100 ktpa auszulegen (Bild 3). Mehrere Referenzen bestätigen diese Methode. Skalierte Technologie für die Polymerentgasung Sulzer ist ein führender Anbieter von Systemen zur Entfernung flüchtiger Bestandteile wie Lösungsmittel oder Restmonomeren aus Polymerprodukten. Die ersten Referenzprojekte mit Polystyrol wurden vor rund 20 Jahren im Pilotversuchszentrum von Sulzer durchgeführt. Die zugrunde liegende Technologie basiert auf der Erhitzung und Entspannung in einer oder mehreren aufeinander folgenden Entgasungsstufen unter «Die Skalierung von Verfahrenstechnik ist eine spannende Herausforderung, weil grosse Kolonnen und komplexe Anlagen einfach faszinierend sind.» Laurent Zuber, Chemtech Process Technology optionaler Beimischung eines Strippmittels zur Schmelze. So kann der Restmonomergehalt auf ppm-niveau reduziert werden, im Fall von Polystyrol z. B. auf rund 100 ppm. Das Know-how von Sulzer umfasst nicht nur die physikalischen Eigenschaften von Systemen aus flüchtigen Stoffen und Polymeren, sondern auch das Scale-up, bei dem kritische Parameter wie die Abmessungen der Ausrüstung, das Design des Schmelzeverteilers oder die Verweilzeit berücksichtigt werden müssen. Das Verfahren wurde vom Pilotmassstab mit Zulaufströmen von einigen Kilogramm pro Stunde auf über kg pro Stunde hochskaliert. Dies entspricht einer Polymerproduktionskapazität von bis zu 200 ktpa. Ein Beispiel eines grossen Entgasungsgefässes, das an einen Kunden in Asien geliefert wurde, ist in Bild 4 dargestellt. Vor Kurzem wurde diese Technologie für die Entgasung von Biopolymeren wie Polylactid (PLA) und die Vorkonzentration von Kautschuklösungen weiterentwickelt. Dies stellt eine wirt- 4 Die Polymerentgasungstechnologie von Sulzer wurde für Produktionskapazitäten von bis zu 200 ktpa hochskaliert. 17

5 5 Sulzer lieferte diese Lösungsmittelrückgewinnungsanlage als vollständig vormontierte Module. schaftlich interessante Alternative zu vorhandenen Apparaten wie Dünnschichtverdampfern oder Dampfstrippkolonnen dar. etwa Destillation und Membrantrennung (z. B. zur Ethanoltrocknung) oder Destillation und Extraktion, die sogenannte extraktive Destillation (z. B. zur Trennung von Benzol/Cyclohexan). In einigen Fällen ist die azeotrope Zusammensetzung stark abhängig vom Betriebsdruck, und die Bestandteile können durch Druckwechseldestillation getrennt werden. Dabei kommen zwei Destillationskolonnen zum Einsatz, die mit unterschiedlichen Drücken arbeiten. Ein Kunde, der einen Wirkstoff für ein sehr erfolgreiches Medikament herstellt, setzte Ethylacetat und Cyclohexan als Lösungsmittel ein und musste diese wiederverwenden. Da die aus der Reaktion kommende Mutterlauge ausserdem Spuren anderer Verbindungen enthielt, wurde zunächst eine grosse Batch-Destillation durchgeführt, um die meisten dieser unerwünschten Bestandteile zu entfernen und die eigentliche Lösungsmittelmischung zu erhalten, die zurückgewonnen werden sollte. Anschliessend folgte eine Druckwechseldestillation. In der ersten, mit Überdruck arbeitenden Kolonne wurde reines Cyclohexan als Sumpf- und die azeotrope Mischung als Kopfprodukt gewonnen. Das Kopfprodukt wurde einer zweiten, unter Vakuum arbeitenden Kolonne zugeführt, die reines Ethylacetat als Sumpfprodukt lieferte. Die im Kopf der zweiten Kolonne gewonnene azeotrope Mischung wurde in die erste Kolonne zurückgeführt. Die Herausforderungen bei diesem Projekt lagen nicht nur in den schwierigen Trennaufgaben, sondern auch in der Lieferung der Lösungsmittelrückgewinnungsanlage als vollständig vormontierte Module (Bild 5). Diese sogenannten Skids mussten nur noch aufgestellt und in die Anlage und die Versorgungssysteme des Kunden eingebunden werden. Die Anlage wurde innerhalb sehr kurzer Zeit geliefert und mit minimaler Störung der vorhandenen Produktionsanlagen in Betrieb genommen. Der Kunde besitzt drei solcher Anlagen, die alle seit über acht Jahren in Betrieb sind. Kontakt: Laurent Zuber, Daniel Rytz Literatur Herausforderungen bei komplexen modularen Anlagen Die Destillationstechnologie hat ihre Grenzen, besonders bei Azeotropen. Ein Azeotrop ist eine Mischung aus zwei oder mehreren Flüssigkeiten, die sich nicht durch einfache Destillation trennen lassen, weil die Zusammensatzung des Dampfes und der Flüssigkeit beim Sieden genau gleich ist (azeotrope Zusammensetzung).5 Es gibt mehrere Möglichkeiten, dies durch Kombination verschiedener Verfahren zu überwinden, M. Zlokarnik, Scale-Up in Chemical Engineering, 2nd edition (Weinheim: Wiley-VCH, 2006). H. Z. Kister, Distillation Design (New York: McGraw-Hill, 1992), 405 and 554. J. C. Godfrey and M. J. Slater, Liquid-Liquid Extraction Equipment (Chichester, John Wiley & Sons, 1994). J. Ulrich and H. Glade, Melt Crystallization (Aachen: Shaker Verlag, 2003), 76. I. Smallwood, Solvent Recovery Book (London: Edward Arnold, Hodder & Stoughton, 1993), 94.