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Softwarelösung sorgt für effiziente Chemiereaktorauslegung

Eine neu entwickelte Software kann chemische Reaktionsgeschwindigkeiten präzise berechnen. Mit ihr könnten etliche Industriezweige höhere Prozesswirkungsgrade und Produktausbeuten erreichen.

Grundlagenforschung

Die Kinetik chemischer Reaktionen, jene Geschwindigkeit, mit der Stoffe von einem Zustand in einen anderen umgewandelt werden, ist ein kritischer Bereich der Chemie. So ist es etwa für die Auslegung der Reaktoren, in denen diese chemischen Umwandlungen stattfinden, sehr wichtig, die chemische Kinetik möglichst umfassend zu verstehen. „Eine häufige Anwendungsform der chemischen Kinetik ist der Abgaskonverter“, erklärt Joris Thybaut, Projektkoordinator von SERENiTi und Professor für katalytische Reaktionstechnik an der Universität Gent, Belgien. „Mit ihm werden die giftigsten Bestandteile der Fahrzeugabgase eliminiert, indem sie in weniger schädliche Stoffe umgewandelt werden.“ Dabei beruht die Auslegung derartiger Abgaskonverter und, ganz allgemein, von kommerziellen Großreaktoren eher auf jahrelanger praktischer Erfahrung als auf einem tieferen Verständnis der zugrunde liegenden Chemie. Für die Industrie bestand die zentrale Herausforderung in dem für die Erstellung eines detaillierten kinetischen Modells erforderlichen Zeit- und Kostenaufwand.

Chemische Prozesse durchschauen

Das Projekt SERENiTi ging mit dem Ziel an den Start, diese Aufgabe über die Entwicklung des Softwareinstruments „microKinetic Engine“ (µKE) zu lösen. In wissenschaftlicher Herangehensweise können mit der Mikrokinetik-Engine detaillierte kinetische Modelle entwickelt werden, um die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen genauer zu bewerten. Eine erste Version des Instruments wurde im Rahmen eines früheren, vom Europäischen Forschungsrat finanzierten Projekts mit dem Titel ELR1K erstellt. Bei der Software gab es jedoch immer noch Schwierigkeiten mit der Lösung von Gleichungssystemen, welche die detaillierte Kinetik beschreiben. „Aber dank dieses Projekts konnten wir eine grafische Benutzeroberfläche für die Mikrokinetik-Engine entwickeln. Es zeigte den weiteren Entwicklungsbedarf auf“, berichtet Thybaut. „Innerhalb von SERENiTi konnten wir diese Herausforderungen meistern und sicherstellen, dass die Software zeiteffizient funktioniert.“ Das Projekt wurde im März 2020 abgeschlossen und hat bei mehreren Unternehmen Interesse erweckt. Beispielsweise wollten große Akteure aus dem Chemiesektor das Instrument unbedingt auf ihre eigenen Prozesse anwenden, um bessere Einblicke zu gewinnen und Bereiche mit Verbesserungsbedarf zu finden. „Wie ich bereits eingangs erwähnte, beruhen viele chemische Prozesse auf praktischen Erkenntnissen und Erfahrungen“, merkt Thybaut an. „Dieses Wissen ist zwar unschätzbar wertvoll, aber wir argumentieren, dass die Entwicklung eines präzisen kinetischen Modells entscheidend wichtig für eine bessere Prozessplanung und -umsetzung ist.“

Auf zu höheren chemischen Ausbeuten

Thybaut zeigt sich zuversichtlich, dass der europäische Chemiesektor seine Prozesse mithilfe von Innovation optimieren kann. „Mit flexibleren Reaktorauslegungen werden unsere Unternehmen wettbewerbsfähiger werden“, fügt er hinzu. „Chemische Reaktionen besser zu verstehen, bedeutet letztlich höhere Produktausbeuten.“ Er verweist auf Europas oleochemischen Sektor, in dem aus Fetten und Ölen Chemikalien gewonnen werden, und der einem harten Wettbewerb durch ostasiatische Raffinerien ausgesetzt ist. Diese Raffinerien konzentrieren sich tendenziell auf einen bestimmten Rohstoff: Palmöl. „Mehr Wissen über die Kinetik der Ölraffination aus verschiedenen Quellen könnte unseren Raffinerien zum Überleben und sogar zum Wachstum verhelfen“, betont er. „Schon eine geringfügige Steigerung der Ausbeute kann angesichts der im Chemiesektor typischerweise geringen Gewinnspannen erhebliche Auswirkungen haben.“ Ein ERC-finanziertes Folgeprojekt wurde eingereicht und genehmigt. Thybaut geht davon aus, dass die Software im Endeffekt kommerzialisiert und lizenziert sowie einem Spin-off-Unternehmen als Basis dienen wird. „In Hinsicht auf das Ergebnis des Folgeprojekts hoffen wir langfristig auf die Etablierung von Patenten im Bereich der Umwandlung von Rohöl in Chemikalien“, legt er dar. Interesse daran wurde außerdem im pharmazeutischen Sektor bekundet, denn auch dort dienen chemische Umwandlungsprozesse im starken Maße der Entwicklung von Wirkstoffen und Arzneimitteln. Laut Thybaut ist das Potenzial enorm: „Letzten Endes konsumieren wir alle chemische Produkte, oder wir fahren Auto.“

Schlüsselbegriffe

SERENiTi, Software, chemisch, Kinetik, katalytisch, technisch, oleochemisch, pharmazeutisch

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