Computer-aided design of molecules, experiments, and processes for a sustainable chemical industry

Abstract

A key to a sustainable chemical industry is the design of the industry's products and processes. Therefore, chemical products and processes need to be developed with sustainability metrics as objectives. However, integrating sustainability metrics into the design methods is not trivial, as the environmental impacts of chemical products and processes are affected over multiple orders of magnitude: The influences range from the system level, where environmental impacts become apparent, via the technical applications and physical properties, down to the molecule structure at the molecular level. As a result, the design of molecules, experiments, and processes for sustainability is a challenge at multiple levels. To overcome this challenge, targeted solution methods need to be developed that combine environmental assessment, application modelling, and property prediction. In this thesis, the computer-aided design methods for molecules, experiments, and processes are therefore advanced beyond pure technical feasibility by extending the modelling at the system, application, properties, and molecular level. At the system level, computer-aided molecular and process design is integrated with predictive life cycle assessment to allow minimising environmental impacts as optimisation objective. At the application level, detailed modelling of entire process flowsheets is enabled by including the majority of unit operations and heat integration in the design framework. The integrated framework is demonstrated to minimise the life cycle environmental impacts of solvents in chemical processes. At the property level, the design of experiments is accomplished that maximises the accuracy of predictions on process performance and environmental impacts. Physical property measurements for parametrisation and validation are tailored to their application in molecular and process design using c-optimal experimental design. Finally, at the molecular level, the design scope is extended from processing chemicals towards chemical products since the chemical products represent a major degree of freedom in the design of a sustainable industry. The methods for the integrated design of processing chemicals and processes are extended towards the targeted model-based design of chemical products, forming a starting point for the integrated life cycle design of products and processes in the chemical industry.

Ein Schlüssel für eine nachhaltige Chemieindustrie liegt in der Entwicklung nachhaltiger Produkte und Prozesse. Daher müssen insbesondere chemische Produkte und Prozesse unter Berücksichtigung von Nachhaltigkeitsmetriken entwickelt werden. Die Integration von Nachhaltigkeitsmetriken in die Entwicklungsmethoden ist jedoch schwierig, da die Umweltauswirkungen chemischer Produkte und Prozesse über viele Größenordnungen beeinflusst werden: Die Einflüsse reichen von der Systemebene, auf der die Umweltauswirkungen sichtbar werden, über die technischen Prozesse und physikalischen Eigenschaften bis hinunter zur Molekülstruktur auf der Molekularebene. Der Entwurf von Molekülen, Experimenten und Prozessen unter Berücksichtigung der Nachhaltigkeit ist daher ein Herausforderung auf all diesen Ebenen. Um diese Herausforderung zu bewältigen, müssen zielgerichtete Lösungsmethoden entwickelt werden, die Umweltbewertung, Anwendungsmodellierung und Eigenschaftsvorhersage integrieren. In dieser Arbeit werden deshalb computergestützte Methoden für die Entwicklung von Molekülen, Experimenten und Prozessen vorgestellt, die über die rein technische Machbarkeit hinausgehen. Hierzu wird die Modellierung auf der System-, Anwendungs-, Eigenschafts- und Molekülebene erweitert. Auf der Systemebene wird das computergestützte Molekül- und Prozessdesign mit einer Methode zur prädiktiven Ökobilanz kombiniert, um als Optimierungsziel die Minimierung von Umweltwirkungen zu ermöglichen. Auf der Anwendungsebene wird die detaillierte Modellierung ganzer Prozessfließbilder erreicht, indem die gebräuchlichsten verfahrenstechnischen Grundoperationen einschließlich der Wärmeintegration eingebunden werden. Die integrierte Methode wird für die Minimierung der Umweltauswirkungen von Lösungsmitteln in chemischen Prozessen demonstriert. Auf der Eigenschaftsebene wird die Planung von Versuchen zur Vorhersage der Prozessleistung und Umweltauswirkungen präsentiert. Messungen physikalischer Eigenschaften für Parametrisierung und Validierung werden auf ihre Anwendung im Molekül- und Prozessdesign mit Hilfe der c-optimalen Versuchsplanung zugeschnitten. Auf der molekularen Ebene wird schließlich der Gestaltungsraum von Prozesschemikalien auf chemische Produkte erweitert, da die chemischen Produkte selber einen großen Freiheitsgrad bei der Entwicklung einer nachhaltigen Industrie darstellen. Die Methoden für das integrierte Design von Prozesschemikalien und Prozessen werden auf die gezielte modellbasierte Entwicklung von chemischen Produkten ausgeweitet und bilden so einen Ausgangspunkt für das integrierte Lebenszyklusdesign von Produkten und Prozessen in der chemischen Industrie.