Heterogenkatalytische Reaktivextraktion: Prozessintensivierung durch Einsatz eines multi-funktionalen Reaktors am Beispiel der Hydratisierung von Olefinen mit stark sauren Ionenaustauscherharzen
Final Report Abstract
In diesem Projekt wurde die Hydratisierung von Propen an sauren Ionenaustauscherharzen zur Herstellung von Isopropanol (IPA) untersucht. Bei Reaktionsbedingungen liegen die Edukte als zwei flüssige oder eine flüssige und eine überkritische Phase vor. Bisher wird die Reaktion häufig im Rieselbettverfahren mit einem großen Wasserüberschuss durchgeführt. Damit wird eine ausreichende Befeuchtung des Katalysators sichergestellt, jedoch ist die destillative Trennung von IPA aus einer stark verdünnten wässrigen Lösung sehr energieintensiv. Zur Prozessoptimierung wurde ein Reaktivextraktionsverfahren vorgeschlagen, bei dem der Katalysator in strukturierten Packungen angeordnet und gezielt mit Wasser benetzt wird. Das Produkt IPA wird in die organische Phase des Edukts Propen extrahiert und kann daraus sehr gut abgetrennt werden. Zudem wird eine Verbesserung von Umsatz und Selektivität durch die Extraktion erwartet. Zur systematischen Untersuchung der Reaktivextraktion mit strukturierten Packungen wurde eine kontinuierlich betriebene Laborkolonne mit einem Phasentrenner und Rückführung beider Phasen zum Kolonnenzulauf aufgebaut. Aus beiden Phasen werden mit speziellen Probenehmern (ROLSI) regelmäßig Proben genommen und im Online-GC analysiert. In der Kolonne befinden sich strukturierte Packungen (Katapak von Sulzer), deren Taschen mit Katalysator gefüllt sind. Über einen Verteilerboden am Kopf der Kolonne wird Wasser gezielt auf die Taschen geleitet. Zur Beobachtung der zweiphasigen Strömung in der Kolonne und zur Einstellung des Hold-up sind Kolonne und Dekanter mit Hochdruck-Sichtfenstern ausgestattet. Da die Reaktionskinetik bereits bekannt war, wurde eine Variation der Kreislaufströme zur Ermittlung der Strömungseigenschaften und Benetzbarkeit der Packungen, des Propendosierstroms zur Untersuchung der Extraktion von Wasser und IPA in die organische Phase und eine Optimierung des Hold-ups in der Versuchsanlage als Basis für Versuche im Pilot- und Produktionsmaßstab durchgeführt. Die Temperatur betrug 140 °C und der Druck 80 bar. Propen wurde mit einem konstanten Volumenstrom dosiert; der Wasserdosierstrom wurde an den Verbrauch durch die Reaktion (über die Lage der Phasengrenze) angepasst. Die Modellierung zur Versuchsauswertung erfolgte in MATLAB. Beschrieben wird ein zweiphasiger, isothermer Rührkessel im stationären Zustand. Für das Phasengleichgewicht wird VTPR-UNIQUAC als thermodynamisches Modell verwendet. Der Stofftransport an der Phasengrenze wird mit Maxwell-Stefan- Gleichungen und speziellen Korrelationen für den Stofftransport in strukturierten Packungen beschrieben. Der Aufbau und die Inbetriebnahme der Laboranlage dauerten länger als gedacht, doch am Ende liefen die Versuche einwandfrei. Die Phasentrennung war auch bei hohen Kreislaufströmen problemlos möglich, die Benetzung der Katalysatortaschen über den Verteilerboden funktionierte und es konnten erste Beobachtungen über den Einfluss der Parameter gemacht werden. Es konnte gezeigt werden, dass die strukturierten Packungen auf jeden Fall für den IPA-Herstellungsprozess vorteilhaft sind, da die IPA-Produktionsrate bezogen auf das Katalysatorvolumen deutlich höher war als im Festbett. Dazu kommt der Vorteil der einfacheren Aufarbeitung von IPA der organischen Phase. Letzte Versuche und Auswertungen stehen noch aus. Zur Übertragung des Konzepts der Reaktivextraktion auf andere Anwendungsfelder wurden erste Untersuchungen zur Durchführung der Dehydratisierung von Fructose zu 5-HMF als Reaktivextraktion durchgeführt und bereits publiziert.
Publications
- Entwicklung eines Hochdruckreaktorsystems zur reaktionstechnischen Untersuchung von heterogen katalysierten Flüssig-Flüssig-Reaktionen Jahrestreffen Reaktionstechnik 2012, Würzburg, 14. - 16. Mai 2012
V. Langrehr, B. Pfeuffer, U. Kunz, U. Hoffmann, T. Turek
- Entwicklung einer Laboranlage zur Untersuchung von heterogen katalysierten Reaktivextraktionen. Jahrestreffen Reaktionstechnik 2013, Würzburg, 6. - 8. Mai 2013
V. Langrehr, U. Kunz, U. Hoffmann, T. Turek
- Heterogeneous reactive extraction for the hydration of olefins using structured packings for the catalyst. 4th International Conference on Structured Catalysts and Reactors, Peking, China, 25. - 27. September 2013
V. Langrehr, B. Pfeuffer, D. Hoell, U. Kunz, U. Hoffmann, T. Turek
- Heterogeneous Reactive Extraction: A Promising Concept for Improved Production of Isopropyl Alcohol. 9th World Congress of Chemical Engineering, Seoul, Korea, 18. - 23. August 2013
V. Langrehr, D. Hoell, U. Kunz, U. Hoffmann, T. Turek
- Heterogen katalysierte Reaktivextraktion: Modellierung und experimentelle Untersuchungen Jahrestreffen Reaktionstechnik 2013, Würzburg, 28. - 30. April 2014
V. Langrehr, U. Kunz, U. Hoffmann, T. Turek
- Heterogeneous reactive extraction using structured packings containing the catalyst: modeling and experiments. 9th International Symposium on Catalysis in Multiphase Reactors, Lyon, Frankreich, 7. - 10. Dezember 2014
V. Langrehr, U. Kunz, U. Hoffmann, T. Turek
- Systematic identification of solvents optimal for the extraction of 5-hydroxymethylfurfural from aqueous reactive solutions. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2016, 4 (1), pp 228–235
L. Blumenthal, C. Jens, J. Ulbrich, F. Schwering, V. Langrehr, T. Turek, U. Kunz, K. Leonhard, R. Palkovits
(See online at https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.5b01036)
