Beschreibung

Bei der Produktion von Feinchemikalien, Agrochemikalien, Wirkstoffen, Kunststoffen und Spezialitäten kommen als Stand der Technik kostengünstige, standardisierte Apparate zum Einsatz, die aber nur teilweise eine maßgeschneiderte Auslegung erlauben, was zu einer nicht optimalen Ausbeute und Produktivität fuhrt. Des Weiteren lassen sich diese Apparate nicht flexibel an eine veränderte Produktnachfrage anpassen.

Optimale Betriebszustände, die eine bessere Ressourcennutzung (geringerer Rohstoff- und Energieeinsatz) ermöglichen, lassen sich nur mit auf die jeweilige Produktionsaufgabe maßgeschneiderten Apparaten ermöglichen, die komplexe Strukturen mit aufwendig angepassten Einbauten (Misch-, Kühl-, Heizungs-, Verteilungselemente) besitzen

(Stankiewicz, A. M. (2004). Re-Engineering The Chemical Processing Plant).

Eine bessere Ressourcennutzung erfordert darüber hinaus eine stärkere Integration der Grundoperation über die Material- und Energieflüsse, da nur so beispielsweise eine optimale Wärmerückgewinnung und vollständige Umsetzung bei hohen Selektivitäten möglich ist (El- Halwagi, M. M. (2012). Sustainable Design through Process Integration).

Eine flexiblere Betriebsweise lässt sich durch eine Modularisierung der Apparate erreichen, bei der durch ein Hinzufügen, aber auch Demontieren von Modulen eine der Marktnachfrage angepasste Produktion möglich wird.

Intensivierung, Integration und Modularisierung stellen schon heute ein wichtiges Werkzeug der Prozesstechnik dar. Bislang werden aber nur Apparate ausgewählter Grundoperationen intensiviert und modularisiert betrieben. Die Integration der Apparate erfolgt über klassische Wärmetauscher-Netzwerke sowie Stoffstrom-Verschaltungen.

Der Stand der Technik erlaubt bislang aber nur eine„diskrete" Verknüpfung von

Grundoperationen über Wärme- und Stoffströme. So wird beispielsweise die Reaktionswärme eines Rohrreaktors zur Beheizung des Verdampfers einer Destillationskolonne auf bestimmten Temperaturniveaus eingesetzt. Eine optimale Energieausnutzung ergibt sich aber erst dann, wenn die Reaktionswärme mit unterschiedlichen Temperaturniveaus entlang des Rohrreaktors dem Verdampfer und den Trennstufen der Destülationskolonne optimal angepasst zugeführt wird.

Eine derartige optimale Energieausnutzung wäre möglich, wenn der Rohrreaktor und die Destülationskolonne in einer Vorrichtung zusammengefasst werden, um eine lokal, optimierte Wärmeübertragung über kurze Distanzen bei minimalen Temperaturdifferenzen zwischen Reaktorrohr und Destülationskolonne zu ermöglichen. Aufgrund der unkontrollierten Wärmeübertragung über das Gehäuse einer derartigen Vorrichtung war bislang eine derartige Vorrichtung nicht möglich.

Für das gewählte Beispiel Rohrreaktor-Destillationskolonne zeigt sich aber, dass durch den gezielten Einsatz von Gehäuse-, Wand- und Füllmaterialien unterschiedlicher Wärmeleitung eine Vorrichtung mit integriertem Rohrreaktor und Destülationskolonne möglich wird, die eine maßgeschneiderte Wärmeübertragung im Rohrreaktor-Destillationskolonne-System erlaubt.

Gegenstand dieser Erfindung ist eine intensivierte, integrierte, modulare Vorrichtung zur Herstellung chemischer Produkte, die durch die Auswahl der Materialien und Strukturen von Gehäuse-, Wand- und Füllmaterialien verbesserte und neuartige Eigenschaften besitzt.

Eine derartige Fertigungsvorrichtung ist intensiviert, wenn sie die verfahrenstechnisch relevanten Mechanismen zu Stoff- und Wärmeaustausch durch komplexe, oft

mikrostrukturierte Element verstärkt.

Sie ist integriert, wenn sie alle effizienzbestimmenden, verfahrenstechnischen Operationen in einer Fertigungsvorrichtung bereitstellt und sie diese Grundoperationen direkt im

Fertigungsapparat ohne komplizierte Verrohrung verknüpft.

Sie ist modular, wenn sie alle funktionalen Elemente beinhaltet und damit den modularen Basisbaustein einer anpassbaren Produktion darstellt. Eine derartige Vorrichtung umfasst maßgeschneidert ausgelegte Grundoperationen, material- und energieübertragendende Elemente sowie Sensoren und Aktoren.

Derartige modulare, maßgeschneiderte, verschaltete Fertigungsvorrichtungen, die eine intensivierte und integrierte Ausführung von chemisch-physikalischen Grundoperationen erlauben, lassen sich bislang mit klassischen Fertigungsverfahren weder technisch noch wirtschaftlich herstellen.

Die Anwendung des 3D-Printing zur Herstellung einzelner Bauteile, die aufwendig in konventionelle Apparate eingebaut und auf konventionelle Weise verknüpft werden, gehört zum Stand der Technik.

3-Printing (Additive Manufacturing) kann prinzipiell zur Fertigung einer vollständig integrierten, modularen Vorrichtung zur Herstellung chemischer Produkte genutzt werden. Durch die Wahl der Materialien und ihrer Strukturierungen lassen sich im Mirko-Maßstab lokal unterschiedliche Eigenschaften wie Wärmeleitfähigkeit oder Porosität realisieren, die wiederum die Wärme- und Stoffübertragung bestimmen.

3D-Printing (Additive Manufacturing) bietet die Möglichkeit, maßgeschneiderte Strukturen auch bei niedrigen Stückzahlen technisch zu realisieren und kostengünstig herzustellen

(Anderson, C. (2013). Mähers).

Im Folgenden werden die Merkmale einer komplett intergierten Vorrichtung zur Herstellung von chemischen Produkten, das Verfahren zum Betrieb dieser Vorrichtung und die Bedeutung des 3D-Drucks zur Fertigung dieser Vorrichtung erläutert.

Am in Abbildung 1 beschriebenen Reaktor wird zunächst die Bedeutung des 3D-Printing zur Herstellung einer Fertigungseinrichtung, bei der Schicht für Schicht dreidimensional aufgetragen wird, grundsätzlich erläutert. Im Beispiel wird von unten mit dem

Gehäusegrundmaterial (1) begonnen. Als erstes werden Schicht für Schicht die

Zuführungskanäle (4) für A und B, anschließend der Reaktor (2) (einschließlich der internen Strukturen (3)), der Kühlhohlmantel (5) und abschließend die Produktaustragskanäle (6) im Gehäusegrundmaterial ausgebildet. Der 3D-Druck erlaubt die Fertigung von Kanälen, Hohlräumen sowie komplexen, porösen Strukturen. In diesem Beispiel werden Zu- und Abführung der Rohstoffe und Produkte, Reaktor mit Misch-, Verteil- und Reaktionselementen sowie die Kühlung mit Zu- und Abfuhr des Kühlmittels in einer integrierten

Fertigungseinrichtung in einem Fertigungsschritt realisieren. In dieser Fertigungsapparatur lassen sich Temperaturprofile, Druckprofile und Konzentrationsprofile für die an der Reaktion beteiligten Moleküle optimal einstellen, was bei komplexen Reaktionssystemen für eine maximale Ausbeute unverzichtbar ist.

Schon für dieses einfache Beispiel führt die integrierte Rohstoffdosierung und Kühlung sowie maßgeschneiderte Femstrukturierung zu vollständiger Vermischung, optimalen Temperatur- und Konzentrationsprofilen und damit maximalen Ausbeuten für eine schnelle,

mischintensive, stoffübergangskontrollierte, exotherme Reaktion. So sind im in Abbildung 1 beschriebenen Fertigungsapparat auf die jeweilige Prozessaufgabe zugeschnittene, dreidimensionale Kanäle und poröse Strukturen für Mischen, Verteilen und Reagieren realisiert, die Schicht für Schicht additiv mit Gehäuse/Füllmaterial und Kanälen für Stoff- und Kühlmitteltransport gefertigt werden.

Abbildung 2 zeigt eine mittels 3D-Printing herstellbare Reaktionskolonne (1) mit Trennwand (2). Mittels 3D-Druck lassen sich beliebig komplexe Strukturen erzeugen. In diesem Falle sind dies die Packungseinbauten für die Reaktionszone mit Katalysatorbeschichtung (3) wie die thermischen Trennungszonen, die sich individuell für die verfahrenstechnischen Aufgaben (Austauschfläche, aber auch Druckverluste) auslegen und fertigen lassen (4, 5, 6, 7). Die Vorrichtung beinhaltet auch Verdampfer (8) und Kondensator (9). Dieses Vorrichtung ermöglicht grundsätzlich die Durchführung einer Vielzahl von Gleichgewichtsreaktionen (CIT (2013) 85, No.4, p.550-563) in einer mittels 3D-Printing realisierten

Reaktionstrennwandkolonne.

Die Gleichgewichtsreaktion (A+B+HB<->C+D+HB) wird simultan mit der Trennung der Produkte C und D und der Rückführung der Edukte A und B in die Reaktionszone ausgeführt, wobei für die Siedepunkte Tc< TA< TB< TD< THB gilt (mit HB als hochsiedender, inerter Verunreinigung).

Auch in diesem Beispiel werden mittels integrierter, in Abbildung 2 nicht gezeigten, aber entsprechend Beispiel realisierbaren Heiz- und Kühlelemente energetisch und ausbeutemäßig bessere Zustände möglich. Auch hier ermöglich der 3D-Druck eine unerwartete,

verfahrenstechnische Verschaltungsvielfalt mit deutlichen Effizienz- und Kostenvorteilen.

Ein weiteres Beispiel für eine effizientere und kostengünstigere Fertigungsapparatur besteht aus einem Reaktor mit integrierter, chromatographischer Aufarbeitung (Abbildung 3). In diesem Fall könnte auch das Adsorptionsmedium (z.B. poröse mit aktiven Zentren versehene Kugeln) (1), der Reaktor zusammen mit den Einbauten (2) und Verteilungselemente (3)) mit dem Gehäusematerial (5) in einem Fertigungsschritt hergestellt werden. Auch die

Steuerungsventile lassen sich mittels 3D-Drucks realisieren (4). Auch lassen sich Sensoren zur Messung von Prozessparametern wie Temperatur, Druck und Stoffzusammensetzung in die Bauteile einsetzen.

Das 3D-Printing ermöglicht die wirtschaftliche Fertigung komplexer Strukturen unter Verwendung unterschiedlichster Materialien wie Keramikmaterialien, Metallen und

Hochleistungspolymeren. Grundsätzlich lassen sich für die Herstellung des

Fertigungsapparats auch verschiedene 3D-Printing-Technologien mit unterschiedlichen Materialien kombinieren, die nicht nur eine Anpassung der Strukturen, sondern auch der Materialien an die Prozessaufgabe erlauben.

Ein derartig feinstrukturierte Fertigungseinrichtung führt zu in klassischen Anlagen- und Apparatekonzepten nicht zu realisierenden, überraschend effizienzsteigernden

Konfigurationen, die neue Möglichkeiten der energieeffizienten, rohstoffschonenden

Herstellung chemischer Produkte eröffnet. Eine Chemieanlage, auch wenn sie teilweise mittels 3D-Printing hergestellte Bauteile nutzt, kann eine entsprechende Effizienzsteigerung nicht verwirklichen. Nur integrierte, modulare Fertigungsapparatur fuhren zu nicht nahe liegenden Verbesserungen. Der grundlegende Vorteil einer integrierten, modularen

Fertigungseinrichtung wird nachfolgend an unterschiedliche Grundoperationen umfassenden Beispielen erläutert.

Am Beispiel des Mischens, des Reagierens und des thermischen Trennens wird die

Funktionsweise einer durch 3D-Printing herstellbaren, integrierten, modularen Apparatur zur Herstellung einer chemischen Verbindung in 2 Stufen erläutert (Abbildung 4). Diese

Apparatur integriert 3 verschiedene Reaktionen - eine erste schnelle Reaktion (A+B -> C) im Rohrreaktor (1), eine zweite Gleichgewichtsreaktion(C+E <-> D+F) in einer

Reaktionskolonne (2) (mit thermischer Aufarbeitung bei TD< TC< TE< TF) und einer dritten Reaktion (F+G ->H) in einem adiabaten, katalytischen Mehrstufen-Reaktor (3).

Neuartige Verbindungselemente ersetzen klassische Verrohrung und Pumpen. Das 3D- Printing ermöglicht die maßgeschneiderte Fertigung aller 3 Reaktoren in einer Apparatur. Das Gehäusematerial (4) wird in der Regel aus schlecht wärmeleitendem Material bestehen. Die der Materialauswahl und der Gehäusegestaltung zugrundeliegende Konzeption wird in den späteren Beispielen mit den Abbildungen 5 und 6 erläutert.

Der Rohrreaktor (1) kann über ein poröses Verbindungselement (6) zur Druckeinstellung mit der Reaktionskolonne (2) verknüpft werden. Die Reaktionskolonne kann entsprechend Abbildung 3 zusätzlich mit maßgeschneiderten Packungen im Reaktionsabschnitt (5) wie auch Wärmetauschern (8) im Verstärkerteil und Abtriebsteil versehen werden, um energetisch das Temperaturprofil zu verbessern. Das Produkt F der Reaktionskolonne wird über ein Verbindungselement (6) mit dem Reaktor für die dritte Reaktion verbunden. Generell lassen sich strukturierte Elemente (6) als Gleichrichter und Druckregulierer einsetzen. Die mit Katalysator beschichteten Elemente (7) dieses Reaktors können für jede Reaktionsaufgabe maßgeschneidert werden. Der adiabatbetriebene Reaktor besteht aus 4 Reaktionsstufen (7) und 4 Kühlern zur Wärmeabfuhr (8). Das 3D-Printing erlaubt weiterhin die energetisch optimale Integration von verschiedenen Verdampfern (9), Wärmetauschern (8) und

Kondensatoren (10) sowohl in der Reaktionskolonne (2) als auch dem adiabaten Reaktor (3). So kann das Temperaturprofil in der Destillationskolonne wie auch dem adiabaten Reaktor durch Einbau von beliebig vielen Heiz- oder Kühlelementen energetisch optimal eingestellt werden, was in klassischer Bauweise mit externem Verdampfer, Kondensator und

Wärmetauschern nicht möglich ist.

In einem weiteren Beispiel wird die energetisch optimale Wärmerückgewinnung in einer durch 3D-Printing hergestellten, chemischen Fertigungseinrichtung erläutert. Die klassische Wärmerückgewinnung einer aus Reaktion und Separation bestehenden Chemieanlage ist in Abbildung 5a gezeigt, die aus 4 Wärmetauschern, einem Heizelement und einer

Kühleinrichtung besteht. Das 3D-Printing erlaubt die wirtschaftliche Herstellung dieser Anlage mit Reaktor (1), Separator (2) und Wärmerückgewinnung(3, 4, 5) in einem

Fertigungsschritt. In dieser Vorrichtung (Abbildung 5b) kommen zwei integrierte Kühler (3) und zwei Wärmetauscher (4) zum Einsatz, wobei sich komplexe Apparatestrukturen durch 3D-Printing machen lassen. Durch den Einsatz schlecht wärmeleitender Gehäusematerialien (6) und sehr gut wärmeleitender Füllmaterialen (5) lassen sich auch lokale Wärmeströme zur Wärmeintegration nutzen. Anstelle wärmeleitender Materialien (5) können auch Wärmerohre verwandt werden, wobei diese entweder als Fertigteile in das Gehäuse eingefügt oder im 3D- Printing mit Metalllegierungen im Vakuum direkt gefertigt werden.

In dieser Apparatur können Wärmeverluste durch lange Übertragungsrohre und große wärmeabgebende Flächen ausgeschlossen sowie kleinere, treibende Temperaturgefälle realisiert werden. Falls die Materialforderung nicht über das Druckprofil innerhalb der Anlage realisiert werden kann, können Materialströme durch in die Fertigungseinrichtung integrierte Pumpen und Gebläse auf höhere Drücke gebracht werden.

Das abschließende Beispiel erläutert das generelle Konzept der Wärmeintegration von multiplen Grundoperationen (z.B. Reaktions- und Destillationssequenzen) in einer integrierten Vorrichtung, die komplett im 3D-Printing hergestellt wird. Die Verwendung unterschiedlicher Materialien kombiniert mit teilweise evakuierten porösen Strukturen und Hohlräumen führt zu lokal einstellbaten Wärmeleitfähigkeiten und erlaubt damit den gezielten Aufbau von Temperaturgradienten und Temperaturzonen. Auf diese Weise kann die

Wärmeübertragung ohne Kühl- oder Heizkanäle realisiert werden. Die Zufuhr und Abfuhr der Wärme für die Grundoperationen sowie die interne Übertragung der Wärme zwischen den Grundoperationen erfolgt über die gezielt eingestellte Wärmeleitfähigkeit. Ein Energieverlust durch Wärmeabstrahlung kann so ebenfalls minimiert werden.

In Abbildung 6 wird der Wärmefluss von der Heizquelle (1) über den Reaktor (2) durch 3 Destillationskolonnen (3, 4, 5) ins Kühlwasser (6) schematisch dargestellt. Im Beispiel sind nur die Apparate aber keine Details wie Verdampfer, Kondensatoren und Verknüpfungen gezeigt. Die Heizwärme des Dampfs (1) wird über gutleitende Füllmaterialen (7) dem Reaktor (2) zugeführt. Die Reaktorabwärme wird über gutleitende Füllmaterialen (8, 9, 10) den Verdampfer-Elementen zugeführt. Diese Materialen (8, 9, 10) lassen sich geometrisch wie auch wärmeleittechnisch individuell gestalten, um optimale Temperaturprofile im Reaktor (2) aber auch den Separatoren (3, 4, 5) zu ermöglichen. Über maßgeschneiderte, wärmeleitende Element (11, 12) zwischen den Kolonnen lassen sich optimale Temperaturprofile in den 3 Destillationskolonnen noch weiter beeinflussen. Ähnliches gilt auch für die Wärmeabfuhr ins Kühlwasser mittels entsprechender Elemente (13, 14, 15). Alle Elemente sind in ein sehr schlecht wärmeleitendes Material (16) eingebracht, wobei die Wärmeleitung durch Poren- und Schaumstrukturen oder eingelagerte Hohlräumen weiter beeinflusst werden kann. 3D- Printing-Technologien, die im Vakuum arbeiten und gasundurchlässige Materialien (z.B. Metalle) verwenden, erlauben weiterhin die Erzeugung von gezielt evakuierten

Porenstrukturen und Hohlräumen, die die Wärmeleitung weiter reduzieren. Die optimale Positionierung von Energiesenken und Energiequellen kann durch komplexe

Optimierungsalgorithmen analog beispielsweise einer logistischen Fabrik-Layout-Gestaltung ermittelt werden. Die mittels 3D-Printing hergestellte Fertigungsapparatur (Fertigungswürfel) besitzt eine energetisch optimierbare, dreidimensionale Temperaturverteilung. Konventionelle Fertigungstechniken können dies nicht oder nur durch aufwendige, letztlich unwirtschaftliche Wärmetauscher-Netzwerke realisieren (Abbildung 6).

Offensichtlich bieten derartig intensivierte und integrierte Vorrichtungen neuartige, unerwartete Möglichkeiten, um bei der Durchführung physikalischer und/oder chemischer Grundoperationen Ressourcen (Material wie Energie) zu sparen. Derartige Vorrichtungen repräsentieren das Basismodul einer mit weiteren Modulen flexibel erweiterbaren Anlage. Grundsätzlich lassen sich die neuartigen, vorteilhaften Eigenschaften dieser Vorrichtungen zur Herstellung eines chemischen Produkts nur dann realisieren lassen, wenn die Vorrichtung (Details des Designs), die gewählte Fertigungstechnik für die komplex strukturierte

Vorrichtung (Details des 3D-Printings) und das Verfahren (Details der Betriebsbedingungen) aufeinander abgestimmt sind. Generell lassen sich die in den Beispielen gezeigten Designs, 3D-Printing-Technologien und Betriebsbedingungen vielfältig kombinieren.