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TU Berlin

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Aktuelle Forschungsergebnisse

ETUS

  • Analyse der Flexibilität für die Chor Wertschöpfungsketten – abgeschlossen

    • Reines Chor ist aufgrund seines Gefahrenpotenzials nur begrenzt speicherbar. Bei einer Lastflexibilisierung der Chlor-Alkali-Elektrolyse wird daher die fluktuierende Chlorproduktion an die nachfolgenden Wertschöpfungsketten weitergegeben. Das bedeutet auch diese müssen flexibel betrieben werden können, ansonsten ist kein Lastenmanagement möglich.
    • In diesem Arbeitspaket wurden die Flexibilitätspotenziale der wesentlichen Chlorwertschöpfungsketten untersucht. Chlor hat über 40 Folgeprodukte, darunter viele Spezialchemikalien aber auch Massenprodukte wie Kunststoffe. Zunächst wurden daher die Wertschöpfungsketten mit dem höchsten Chlorverbrauch bestimmt. Anhand von verfahrens- und reaktionstechnischen Analysen wurden für die bedeutendsten Folgeprodukte die Flexibilitätspotenziale und die damit verbundenen Restriktionen bestimmt. Dies ermöglichte die genauere Quantifizierung der Lastmanagementpotenziale der Chlor-Alkali-Elektrolyse.

  • Erstellung eines Einsatzplanungsmodels für die Chlor-Alkali-Elektrolyse mit anschließender Dichlorethan Produktion
  • Unter Berücksichtigung der verfahrenstechnischen Restriktionen wird ein Optimierungsmodell für die Chlor-Alkali-Elektrolyse mit anschließender Ethylendichlorid Produktion entwickelt. Dieses Modell ermöglicht eine wirtschaftlich optimale Einsatzplanung der Produktionsanlage an den Strommärkten.

dbta

Fließbild der CAE und anschließender DCE-Produktion
Lupe

Chlor-Alkali-Elektrolyse (CAE)

  • Es wurden zwei Modelle entwickelt, die in kombinierter Nutzung die dynamischen Vorgänge in der CAE darstellen können.
  • Modell 1 beschreibt die verfahrenstechnischen (Stoffströme, Zusammensetzungen, Temperaturen) Zusammenhänge in der CAE. Das Modell ist als klassisches Gleichungssystem mit Differential- und algebraischen Gleichungen formuliert.
  • Modell 2 beschreibt die elektrochemischen Zusammenhänge (Zellsspannung/Leistungs-aufnahme in Abhängigkeit der Stromdichte) in der CAE. Dieses Modell wird mit Hilfe von Machine-Learning-Algorithmen auf Basis von realen Anlagendaten erzeugt.
  • Beide Modelle wurden mit Messdaten aus der CAE bei Vestolit validiert.
Vergleich von Anlagendaten und Modell der DCE-Produktion
Lupe

Dichlorethan-Produktion (DCE)

  • Erstellung eines thermodynamischen Modells für das 5-Kompontentensystem Ethen, Chlor, DCE, Trichlorethan (TCE), HCl
  • Beschreibung der Kinetiken
  • für die Modellierung der DCE-Produktion wurde ein dynamisches Prozessmodell entwickelt, wichtigste Features:

    • einzelne Bilanzräume für Reaktor, Trennstufen, Kondensator, Destillatvorlage, Peripherie
    • alle Bilanzräume dynamisch, mit Ausnahme der Wärmeübertrager
    • Gasströme druckgetrieben
    • Flüssigkeitsströme ergeben sich aus dem Überlauf über das Wehr und dem Durchregnen der Bodenlöcher in Abhängigkeit der Gasbelastung

ECEMS

Messstation zur Wasserstoffperoxid-Synthese
Lupe
  • Aufbau einer Messstation zur elektrochemischen Synthese von H2O2aus Wasser, Sauerstoff und Strom (Bild 1)
  • Etablierung einer Methode zur Beschichtung der Gas Diffusions Elektroden mit kohlenstoffbasierten Katalysatoren (Bild 2)
  • Erste Ergebnisse bezüglich Faraday Effizienzen, Produktionsraten, Strom-Spannungskurven sowie erste Stabilitätstests
Beschichtung einer Elektrode
Lupe

Geplante Aktivitäten:

  • Etablierung einer neuen Messtechnik für die Bestimmung von H2O2für weiterführende Stabilitätstests
  • Aufklärung von Alterungsmechanismen innerhalb der verwendeten Zelle durch flexiblen Lastbetrieb

TC-MR

Lupe

Screening

  • Aus einer Vielzahl elektrochemischer Verfahren wurden zwei industriell relevante Prozesse ausgewählt, die ebenso wie die CAE für eine Flexibilitätsbetrachtung in Frage kommen. Für das Screening wurden alle Verfahren nach einem festgelegten Kriterienkatalog untersucht.

Ausgewählt wurden:

  • Die elektrochemische Hydrodimerisierung von Acrynitril zu Adiponitril
  • Die elektrochemische Hydrodimerisierung von Formaldehyd zu Ethylenglykol

Adiponitril-Synthese

Adiponitril ist ein Zwischenprodukt zur Herstellung von Hexamethylendiamin, welches dann in einer
Kondensationsreaktion mit Adipinsäure zu Nylon 6,6 umgesetzt wird. Die Nachfrage nach Nylon 6,6 ist hoch, aber die Angebotsknappheit des Schlüsseleduktes ADN führt zu extrem steigenden Preisen. Die Jahresproduktion beträgt ca. 1,31 Mio.t /a weltweit, davon werden ca. 300 000 t über die kathodische Hydrodimerisierung von Acrylnitril (ACN) produziert [1].Der sogenannte Monsanto-Prozess ist damit das wichtigste industrielle elektroorganische Syntheseverfahren. Durch die Entwicklung in der Prozessführung, in der heute keine mechanische Trennung von Anolyth und Katholyt mehr vorliegt, müssen turbulente Strömungen durch eine hohe Durchflussrate und statische Mischer generiert werden, so dass eine Emulsion aus der wässrigen Leitsalzlösung und der organischen Acrylnitril-Phase mit Adiponitril vorliegt.

Ethylenglykol-Synthese

Ethylenglykol wird mit einer Produktionsmenge von ca. 6,7 Mio.t/a heute ausschließlich über die Hydrolyse von Ethylenoxid gewonnen [2]. Dieser Prozess birgt allerdings einige Nachteile, vor allem in der Selektivität. Die Hydrodimerisierungsreaktion zur Herstellung von Ethylenglykol aus Formaldehyd wäre ein alternativer Prozess, bei dem hohe Stromausbeuten zu erwarten sind. Es wäre der drittgrößte elektrochemische Prozess nach der Aluminium-Produktion und der Chloralkali-Elektrolyse. Bisher ist die elektrochemische Herstellung jedoch nur im Pilotmaßstab realisiert und erprobt. Die Durchführung im Labor ist analog zur Adiponitril-Synthese. Der einzige apparative Unterschied ist der Einsatz einer Membran für die Trennung des Anolythen und des Katholyten.

Referenzen:

[1] H.-J. Arpe, Industrielle organische Chemie: bedeutende Vor- und Zwischenprodukte, Wiley-VCH GmbH & Co. KGaA, Weinheim, 2007.

[2] S. Rebsdat, D. Mayer, Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry, Vol. 13, S. 541, Wiley-VCH GmbH & Co. KGaA, Weinheim, 2012.

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