Auftritt Macbeth

„Jetzt wollen wir im realen Produktionsumfeld unter anderem testen, ob das System auch mit dem indus­triellen Feed in unserem Oxo-Betrieb funktioniert, also mit den dort üblichen Gasgemischen“, sagt Franke. Bei ­ROMEO sei noch mit hochreinen Ausgangsgasen ge­arbeitet worden, während etwa die im Oxo-Betrieb verwendeten Olefine Teile von Gasgemischen sind, die ­direkt aus dem Erdölcracker kommen. Außerdem interessiert ihn, ob das Verfahren auch für größere Produktionsmengen geeignet ist und dauerhaft stabil arbeitet.

Derzeit arbeiten die Forscher an der Hydroformy­lierung des Olefins 1-Buten, bei der das Aldehyd n-Pentanal entsteht. Diese Reaktion soll nun exemplarisch in den größeren Maßstab übertragen werden. Im Technikum zeigt Ingenieurin Arsenjuk, wie weit sie schon gekommen sind, an einem Versuchsaufbau im Abzug. Dort wurde ein Edelstahlzylinder dick in isolierende Alufolie eingewickelt und dann senkrecht eingespannt. „Darin sind unsere Röhrchen“, erklärt ­Arsenjuk, „und in die leiten wir von oben das Reaktions­gemisch, also Buten und Synthesegas.“ Im Innern der Röhrchen befindet sich der Katalysator, der die Komponenten reagieren lässt. Das entstandene n-Pentanal kann durch die Außenwand entlang der Längsseite austreten und dann per Anschluss aus dem Edelstahlzylinder abgeführt und bei ausreichender Reinheit direkt weiterverarbeitet werden.

Die eigentlichen grauen Reaktorröhrchen sind gerade mal zweieinhalb Zentimeter dünn und 20 Zentimeter lang. Für Robert Franke bedeutet dies jedoch keinen Nachteil, sondern – im Gegenteil – einen „besonderen Charme“: „Die geringen Ausmaße erlauben uns eine modulare Bauweise, mit der wir den Prozess beliebig skalieren können.“ Will man größere Mengen produzieren, muss man nur genügend Röhrchen zusammenschalten.

Die möglichen Dimensionen zeigen sich etwa 800 Meter vom Technikum entfernt. Dort, im Herzen des sechs Quadratkilometer großen Chemieparks Marl, steht die sogenannte Oxo-Anlage. Derzeit erfolgt hier die Hydroformylierung in Kesseln, die meterhoch sind und viele Zehntausend Liter fassen. Noch höher sind die für die anschließende Produktabtrennung benötigten Destillationskolonnen – ein Aufbau, der dank der neuen Reaktorengeneration größtenteils überflüssig werden könnte.

Wie gut die Trennung funktioniert und wie rein das Aldehyd danach wirklich ist, soll sich hier zeigen. Für die geplante Demonstrationsanlage steht bereits eine kleine Freifläche bereit, die Zugangsstellen in die riesige bestehende Anlage sind geklärt. Doch ehe dort das neue Reaktorsystem errichtet wird, müssen im Technikum einige Fragen geklärt werden. „Wir tüfteln noch am endgültigen Design“, erklärt Linda Arsenjuk. Dabei werden auch einige Neuerungen gegenüber dem ­ROMEO-Reaktor untersucht. Zum Beispiel ein weiteres Membranmaterial, das ein Projektpartner, das Helmholtz-Zentrum Hereon, vorgeschlagen hat. Für die Beschichtung der Poren im Reaktor gibt es inzwischen eine vielversprechende Alternative zur bisher verwendeten ionischen Flüssigkeit. Und es laufen Tests mit einer längeren Version der Keramikröhrchen des dänischen Partners Liqtech.

Für die spätere Prozesspraxis gilt es zudem, die optimalen Einstellungen für Temperatur, Druck und Durchflussgeschwindigkeit zu ermitteln. Dabei geht es nicht nur um die bestmögliche Produktausbeute, sondern auch darum, störende Nebenreaktionen zu unterbinden. „Ein potenzielles Problem besteht immer darin, dass Pentanalmoleküle miteinander zu größeren Einheiten reagieren, die dann kondensieren und die Poren wie Honig verkleben“, erklärt Dr. Corina Nentwich, ebenfalls Chemieingenieurin im Bereich Verfahrenstechnik. Sie ist im ­MACBETH-Team für die Prozess­simulierung zuständig und muss das Geschehen im neuen Reaktor möglichst detailgetreu in die entsprechende Software integrieren. Am Ende soll die ­exakte numerische Beschreibung helfen, bestimmte Szenarien theoretisch durchzuspielen und den Reaktor optimal zu planen.

Die Modelliererin nimmt zudem eine übergeord­nete Perspektive ein und prüft, wie sich der Membranreaktor auf die Stoffbilanzen am Standort Marl auswirkt. „Die Reaktion von Buten zu Pentanal findet im Chemiepark ja nicht isoliert statt“, erklärt Nentwich. „Vielmehr ist der Prozess in ein ganzes Netzwerk chemischer Reaktionspfade und Stoffströme eingebunden, die sich gegenseitig beeinflussen.“ Konkret: Sollte sich etwa zeigen, dass der neue Reaktor aus einer bestimmten Menge Buten mehr oder weniger Pentanal macht als das herkömmliche Verfahren, hätte das Folgen für andere Synthesestränge, weil dann dort zum Beispiel mehr Buten zur Verfügung stünde. Die Verfahrenstechnikerin arbeitet derzeit daran, auch solche Zusammenhänge abzubilden.

Trotz der erschwerten Bedingungen durch die Corona­pandemie sollen die Versuche an der Demonstra­tionsanlage möglichst schon 2022 starten. Sollte sich der neuartige Membranreaktor in der Praxis etablieren, wäre es für Arsenjuk und Nentwich schon am Anfang ihrer beruflichen Laufbahn ein echtes Highlight. „Ein völlig neuer Reaktortyp wird nicht alle Tage entwickelt, und wenn man dabei ist, ist das schon toll“, schwärmt Linda Arsenjuk.

Ein Erfolg sind auch die kalkulierten Auswirkungen auf die Nachhaltigkeitsbilanz. „Wir haben das neue Verfahren dazu mit einem gut untersuchten herkömm­lichen Prozess im Rahmen einer Lebenszyklusanalyse verglichen“, sagt Corina Nentwich, nämlich inklusive der Weiterverarbeitung von Pentanal zu 2-Propyl­heptanol (2-PH). „Dabei zeigte sich, dass der neue ­Reaktor die gesamten Treibhausgasemissionen der 2-PH-Produktion um fast 70 Prozent reduzieren kann“, so Nentwich. In diese Kalkulation sei der Einfluss der Membran noch gar nicht einbezogen, erklärt die Chemieingenieurin. Sollte ­MACBETH zeigen, dass die Aldehyd-­Aufreinigung mit der Membran so gut gelingt, dass die energieintensiven Destillationsschritte entfallen können, wäre der Effekt also noch größer.

Egal ob es um die Membran oder um die Kataly­satorbeschichtung geht – bei vielen Details steuern die jeweiligen Projektpartner wichtige Expertise bei. „Allein könnten wir so etwas gar nicht schaffen“, betont Robert Franke. Das gelte auch für den finanziellen Rahmen. Die EU fördert ­MACBETH mit 16,6 Millionen €. Franke spricht von einer tollen Unterstützung, auch vor dem Hintergrund, dass ein gewisses Risiko dabei ist. „Wir wissen ja nicht genau, ob am Ende in der Praxis wirklich alles so klappt, wie wir uns das vorstellen, und ob sich daraus wirklich schon ein neuer Prozess ableitet“, so Franke.

Im Shakespeare-Drama „Macbeth“ sagen drei Hexen der Titelfigur die Zukunft voraus. Auf solche Künste kann Robert Franke nicht zurückgreifen. Aber bis ­Oktober 2024 wird auch er mit seinem Team wissen, ob sich katalytische Membranreaktoren für die kommerzielle Hydroformylierung eignen. So lange nämlich läuft ­MACBETH. Um die verbleibende Zeit bestmöglich zu nutzen, gibt Franke ein Motto aus dem vierten Akt der Shakespeare-Vorlage vor: „Cut short all inter­mission“, verlangt dort der Macbeth-Gegenspieler Macduff: Unterlasst alle Unterbrechungen!

Fotos: Robert Eikelpoth