STROJE A ZAŘÍZENÍ
ACHEMA TRENDS: JAK GLOBÁLNÍ MEGATRENDY MĚNÍ CHEMICKÉ STROJÍRENSTVÍ – A DĚLAJÍ HO COOL
SCHEUERMANN A. Chemical engineer and freelance trade journalist
Co mají společného módní témata oběhového hospodářství, výroby baterií a rostlinných proteinů? Jsou výzvou pro kreativitu procesních inženýrů a navazují na globální megatrendy v oblasti nedostatku zdrojů, mobility, výživy a ochrany klimatu. Zatímco v minulém desetiletí se pozornost soustředila na nové chemické procesy a digitální technologie, nyní je na řadě strojní procesní inženýrství.
Obr. 1: Odstředivý separátor firmy Flottweg (Zdroj: www.flottweg.com)
Budoucnost patří elektrifikaci hospodářství a mobility. A rozhodující roli v tom budou hrát technologie skladování. Pokud se však zeptáte odborníků, kde lze v oblasti bateriových technologií očekávat nej- větší inovační potenciál, odpověď většinu lidí překvapí: Ne v chemii a nových materiálech, ale v technologii výroby. Zatímco například u lithium-iontových baterií je po materiálové stránce technologické optimum viditelně na dohled, výroba bateriových článků a baterií ještě zdaleka není vyspělá. Například energetická hustota, životnost a výkon bateriových článků obecně, a zvláště při nízkých teplotách, závisí v rozhodující míře na přesnosti velikosti a tvaru částic. A přestože je Čína v současné době nesporným lídrem na trhu výroby baterií pro elektromobily, mohlo by se to v příštích letech změnit, pokud noví hráči v USA a Evropě ve velkém počtu postaví nové továrny na výrobu baterií s nejnovějšími technologiemi. Výzkumníci z Fraunhoferova institutu pro výrobní techniku a auto- matizaci IPA jsou přesvědčeni, že klíč k tomu spočívá ve výrobním procesu. Důležitým faktorem jsou mechanické procesy: Umožňují výrobu a zpracování nanomateriálů a přesnou výrobu elektrod. Složitost dodavatelského řetězce baterií začíná již u získávání surovin těžbou nebo chemickou extrakcí – ale proces se stává opravdu složitým, když dojde na zpracování materiálů: ty musí být vyráběny nejen v trvale vysoké kvalitě (“battery grade“), ale také ve velkém množství. A protože účinné materiály pro výrobu baterií jsou toxické, musí být výrobní procesy také hermeticky uzavřené (kontejnment). Této problematiky se ujali výrobci míchadel, dispergátorů a reaktorů. Jedním z příkladů je další vývoj tubulárních reaktorů pro syntézu prášků: například v tubulárním reaktoru od společnosti Glatt Ingenieurtechnik zajišťuje pulzující proud horkého plynu turbulentní podmínky prou- dění a umožňuje přesně a reprodukovatelně upravovat velikost, povrch a strukturu částic. Ale nejen v reakční technologii má rozložení teploty zásadní vliv na kvalitu produktu. Vzhledem k tomu, že anodové a kato- dové materiály se často vyrábějí při vysokoteplotních procesech, jsou důležité také ohřev, řízení průtoku a tepelná izolace výrobních strojů. Dalším procesním krokem při výrobě baterií je potahování nosných fólií, na které se nanáší aktivní materiál. Zde musí být nátěrová hmota obzvláště homogenní, protože odchylky ve velikosti částic nebo viskozitě vedou ke ztrátám výkonu. Nové míchací a dispergační stroje, jako jsou stroje od společnosti Ystral, mají za cíl přesně kontrolovat příkon a mi- nimalizovat potřebu energie – což je důležitý cíl optimalizace vzhledem k velkému objemu zpracovávaného materiálu. Kontinuální procesy vyžadují nové strojní technologie Kontinuální procesy jsou stále více atraktivní. Na rozdíl od klasické dávkové výroby se u kontinuálních procesů zvyšuje produktivita, protože odpadají prostoje a čištění. Kontinuální procesy navíc umožňují lepší kontrolu nad výrobním procesem, lze je snadněji navrhnout tak, aby byly hermeticky uzavřené, a dosahují tak vyšší kvality výrobků. To je důležité zejména v případech, kdy je výrobek citlivý na kontaminaci nebo je třeba zabránit kontaminaci mikroorganismy. Kontinuální procesy se navíc snáze rozšiřují a vedou k vyšší energetické a nákladové efektivitě. K dosažení kontinuálních procesů je však třeba upravit nebo nově vyvinout mechanické procesy. Ať už se jedná o mlýn, míchačku, sušičku nebo odstředivku – konstrukce strojů pro kontinuální procesy se řídí jinými zákonitostmi. Přehodnocení s cílem “kontinuálního“ procesu již vede k novým konstrukcím. Příkladem jsou tryskové separátory nedávno
vyvinuté společností Flottweg, které se používají pro kontinuální sepa- raci pevných látek z kapalin, například v biotechnologiích. Na rozdíl od klasických odstředivek využívají poměrně lehký buben, a potřebují tak podstatně méně energie ke svému pohonu. Dalším příkladem jsou kontinuálně pracující extrudery používané při recyklaci plastů. Například dvoušnekové extrudery od společnosti Coperion zajišťují vysoce efektivní přísun tepla do plastové taveniny při tepelné recyklaci plastu polymetylmetakrylátu (PMMA), což vede k rychlé a energeticky efektivní depolymeraci. Oběhové hospodářství: možnosti chemické a mechanické recyklace Vývoj strojních zařízení vnáší světlo do rostoucího trhu budoucího obě- hového hospodářství: výroba plastů na základě chemické recyklace je pro něj perspektivní možností. Rozklad polymerů na jejich chemické složky je však až posledním krokem. Z hlediska energetické bilance je mnohem smysluplnější mechanická recyklace, která však zatím často selhává, protože plastový odpad se obvykle netřídí podle druhu. V budoucnu by zde měly pomoci digitální technologie. Umělá inteligence a strojové učení mohou vyhodnocovat data z kamer a senzorů na třídicích strojích a rozdělovat plastový odpad na různé frakce – také za pomoci robotů. Obr. 2: Barevné plastové granuláty (Zdroj: Adobe Stock)
Zvyšující se míra recyklace je výzvou i pro mechanické procesy. Zaří- zení dosahují svých kapacitních limitů. Jelikož například mechanické míchačky mají omezené rozměry a s množstvím rostou i mechanické síly, dochází při recyklaci polyetylenu (PET) při míchání plastových vloček k výkyvům kvality. Míchací sila, v nichž se sypký materiál odebírá
16
CHEMAGAZÍN • 4 / XXXIII (2023)
Made with FlippingBook - professional solution for displaying marketing and sales documents online