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Fördermaßnahme: Ressourceneffizienz in der Produktion: Energieeffizienz in der Produktion
Forschungsziel: Im Rahmen des Verbundprojektes wurde ein neuartiges Verfahren zur Herstellung von Butylkautschuk entwickelt und in einer Pilotanlage erprobt. Das Verfahren zeichnet sich durch eine geringere Anzahl von Prozessschritten und eine erhebliche Energie- und Kosteneinsparung aus. Die Anlage ist darüber hinaus für die Entwicklung von Herstellprozessen für weitere synthetische Kautschuke nutzbar.
Dipl.-Ing. Ulf Zanger
+49 721 608-25296
ulf.zanger@kit.edu
Problemstellung
Die Herstellung von synthetischem Kautschuk stellt einen bedeutenden Zweig innerhalb der Polymerindustrie dar. Alleine in Deutschland werden jährlich 500.000 t Synthesekautschuk verbraucht. Eines der bedeutendsten Einzelprodukte ist der Spezialkautschuk Butyl, welcher durch eine chemische Modifikation aus Butylkautschuk gewonnen wird. Seine herausragenden Eigenschaften, wie beispielsweise die Luftundurchlässigkeit, machen ihn zum bevorzugten Material für die Herstellung von Schläuchen und Innenlagen von Reifen. Das derzeit dominierende Verfahren für die Herstellung von Butylkautschuk stammt aus den 40er Jahren des 20. Jahrhunderts und ist sehr energieintensiv. Beispielsweise erfordert einer der Prozessschritte eine Kühlung des Reaktorgutes auf -100 Grad Celsius bei stark exothermer Reaktion. Pro Tonne Butylkautschuk werden insgesamt 6 GJ elektrische Energie und 9 t Dampf benötigt. Dies entspricht einem Ausstoß von etwa 2,6 t Kohlendioxid je Tonne des Endprodukts.
Intensive theoretische Überlegungen zeigten Möglichkeiten für einen neuen, einfacheren und energetisch günstigeren, Prozess auf. Experimentelle Untersuchungen und Machbarkeitsstudien belegten die Tragfähigkeit des Konzeptes.
Projektziele und Vorgehensweise
Im Verlauf des Projektes sollte eine neue Prozesstechnologie für die Herstellung von Butylkautschuk aus dem Labor in eine Pilotanlage übertragen werden. Die Prozesskette zeichnet sich gegenüber dem bestehenden Verfahren durch eine geringere Anzahl an einzelnen Schritten und einen deutlich reduzierten Energieverbrauch aus. Die Ergebnisse an der Pilotanlage dienen im Erfolgsfall als Basis für den Übergang in den Produktionsmaßstab.
Wesentliche Eigenschaften des neuen Prozesses sind:
– Höhere Reaktionstemperaturen durch Optimierung des Katalysatorsystems und damit einhergehende Energieeinsparung
– Polymerisation und Modifikation finden im selben Lösungsmittel statt
– Ersatz des ineffizienten Dampfstrippprozesses durch direkte Eindampfung in speziellen Knetern und Extrudern
– Ersatz des chlorierten Lösungsmittels durch ein umweltverträglicheres Alkan
Zunächst wurden die chemischen Grundlagen der einzelnen Prozessschritte, getrennt nach Polymerisation, Modifikation und Rückgewinnung des Monomers, näher untersucht und chemisch-technische Modelle daraus abgeleitet. Parallel dazu entstand das Konzept für eine Pilotanlage mit einem Ausstoß von 1-2kg/h, welche schrittweise aufgebaut wurde und sowohl zur Erprobung des Prozesses als solchem, wie auch zum Test von Anlagenteilen diente. Extruder und Kneter waren so auszulegen, dass sie sowohl den neuen mechanischen und chemischen Anforderungen genügen, als auch eine ausreichende Lebensdauer im Dauerbetrieb aufweisen. Nach Aufbau und Zusammenführung aller Komponenten in der Pilotanlage erfolgte die Bewertung des Gesamtprozesses und der Anlage in Bezug auf Qualität des Produktes, Wirtschaftlichkeit und Energieeinsparung.
Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Als Ergebnis des Projektes entstand eine Pilotanlage für einen neuen Prozess zur Herstellung von Butylkautschuk. Der neue Prozess benötigt etwa 40% weniger Energie wie das etablierte Verfahren und liegt damit im Rahmen der Prognosen aus den Voruntersuchungen. Dies läßt gleichzeitig eine deutliche Senkung der Fertigungskosten erwarten. Die Projektergebnisse bilden die Basis für eine Hochskalierung des Prozesses und der Anlagen über eine Qualifizierungsanlage bis hin zur Produktionsanlage. Derartige Anlagen verfügen über eine Kapazität von 100.000 – 200.000 Jahrestonnen bei einem Investitionsvolumen in der Größenordnung von 400 Mio. Euro. Daneben soll die Pilotanlage für die Entwicklung von Herstellverfahren für weitere Kautschuktypen über einen Zeitraum von mindestens zehn Jahren genutzt werden.
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