Computermodellierung für die Verbesserung der Polymerisationsprozesse

Aufgrund der zunehmenden Verwendung von Polymeren in allen Bereichen der Industrie wird gerade die Verwendung der Computermodellierung für die Verbesserung der Polymerisationsprozesse untersucht. Im Rahmen des Projekts POLYPROMS wurde ein allgemeines mechanistisches Modul für die modellbasierte Untersuchung des optimalen Betriebs einer Polymerisationsreaktoreinheit entwickelt.

Polymerisation aus der Gasphase ist die erste Stufe bei der Herstellung von kommerziell bedeutenden Polymeren wie Polypropylen aus Monomeren. Während der Polymerisation werden die Monomere unter Verwendung des Ziegler-Natta-Katalysators zu einer langen Polymerkette mit einer speziellen Geometrie zusammengefügt. Während dieses Prozesses wird das Monomerfragment in einem Metallzentrum komplexiert. Der Komplex verbindet sich mit der Polymerkette, die aus dem Metallzentrum wächst und hinterlässt eine freie Stelle für weitere Monomerkomplexierungen.

Die am häufigsten verwendete industrielle Gasphasentechnologie ist der Fließbettreaktor (FBR). Hierbei wird das Bett durch das Recycling der Reaktionsgase mit dem Reaktor in einer blasenbildenden Umgebung gehalten. Die Reaktionshitze wird durch die Kühlung des Zirkulationsgases und teilweise auch durch partielle Kondensation zurückgesetzt. Der Reaktor wird entweder nur vorübergehend oder aber dauerhaft betrieben.

Die optimalen Betriebsbedinungen der Fließbettreaktoreinheit wurden in einer modellbasierten Studie untersucht. Um die Untersuchung zu erleichtern, wurde ein allgemeines mechanistisches Modul für die Ziegler-Natta-Copolymerisation aus der Gasphase im Reaktor entwickelt. Die optimalen Voraussetzungen für die Bildung von vier verschiedenen Polymerarten wurden durch die Maximierung der Leistungsfähigkeit der Monomer-Polymer-Umwandlung erreicht.

Die Zeit für die Umwandlung der Polymerklasse sowie die darauf folgende nicht spezifikationsgerechte Produktion wurden ebenso erforscht und es wurde eine optimale Steuerungsstruktur gebildet. Weitere Optimierungsstudien wurden für den vorübergehenden Betrieb des FBR durchgeführt. Die optimalen Betriebsbedingungen für den Übergang zwischen den vier Polymerklassen wurden untersucht und die beste Abfolge für die Umwandlung bestimmt. Die aus der Modellierung resultierende leistungsfähigere Polymerisation führt zu Vorteilen wie schnellere Produktion, verbesserte Produktqualität, Kostenreduzierung und höhere Sicherheit.