66 Chemische Verfahrenstechnik
1 search hit
-
Kontinuierliche Isobutan/2-Buten Alkylierung in einem Tropfensäulenreaktor unter Verwendung von aciden ionischen Flüssigkeiten als Katalysatoren
(2012)
-
Stephan Josef Aschauer
- Die in der vorliegenden Arbeit untersuchte Alkylierung von Isobutan mit 2-Buten stellt einen wichtigen Raffinerie-Prozess zur Herstellung von hochoktanigem, aromaten- und schwefelfreiem Kraftstoff dar. Die schwerwiegenden Nachteile der industriellen Katalysatoren HF und H2SO4 machen es unabdingbar, nach alternativen Katalysatorsystemen zu forschen, die in der Lage sind, qualitativ gleichwertiges Alkylat herzustellen. Ionische Flüssigkeiten besitzen aufgrund ihrer physiko-chemischen Eigenschaften großes Potential, diese industriell etablierten Systeme zu ersetzen.
Um einen Beitrag zur Entwicklung eines technischen Prozesses zur Isobutan/Buten-Alkylierung mit Ionischen Flüssigkeiten als Katalysatoren zu leisten, werden in der vorliegenden Arbeit folgende chemische bzw. verfahrenstechnische Aspekte untersucht:
- Zunächst wurden Additive für die IL getestet, die die Reaktionsgeschwindigkeit erhöhen und gleichzeitig die Selektivität zu Trimethylpentanen verbessern sollten. Es handelt sich dabei um unterschiedliche tert-Butyl-Quellen, die die aktive Spezies im Katalysezyklus, das tert-Butylkation, freisetzen. Die Verwendung solcher Additive bei der Isobutan-Alkylierung wird bisher nur in Patenten der Firma Chevron beschrieben. Wissenschaftliche Arbeiten hierüber fehlen, weshalb ein großer Teil der vorliegenden Arbeit der Untersuchung dieser Additive gewidmet ist. Die Verwendung der Additive bietet, neben der Steigerung der Reaktionsgeschwindigkeit, die Möglichkeit einer Brønsted-Säuren (H+) freien, rein durch Lewis-Säuren (Aluminiumchlorid, Bortrifluorid) katalysierten Isobutan/Olefin-Alkylierung.
- Ein weiterer wichtiger Schritt im Hinblick auf die Verfahrenstechnik stellt die Heterogenisierung der IL-Katalysatoren dar. Es wurde ein Reaktor entwickelt, in dem die Emulsion und Separation der Katalysatorphase (IL) und der organischen Phase direkt im Reaktor mit Hilfe von Borosilikatglasfritten erfolgt. Diese Fritten gewährleisten die Fixierung der IL und eine hohe Phasenaustauschfläche zwischen Katalysator und Feed. Durch den hohen Dichteunterschied zwischen den Phasen erfolgt eine automatische Schwerkraftabscheidung, gleichzeitig führt dieser aber auch zu einer deutlichen Verweilzeiterniedrigung aufgrund des schnelleren Tropfenaufstiegs durch die Katalysatorphase.
- Der entwickelte Tropfensäulenreaktor wurde hinsichtlich des Tropfenaufstiegs, der Tropfengröße und des Strömungsverhaltens charakterisiert. Hierzu werden Untersuchungen zum Aufstieg von einzelnen organischen Tropfen in verschiedenen Ionischen Flüssigkeiten namentlich [C4mim][BF4], [C4mim][Ntf2] und [C4mim][AlCl4] durchgeführt und mit dem Aufstiegsverhalten nach Stokes verglichen. Des Weiteren werden auch Grenzflächenspannungen zwischen den beteiligten Phasen ermittelt. Das Strömungsverhalten wurde in durchsichtigen ILs ([C4mim][Ntf2]) in Abhängigkeit des Feedmassenstroms mit und ohne Magnetrührer untersucht.
- Neben dem entwickelten Tropfensäulenreaktor-Konzept wurde auch ein weiteres Konzept zur IL-Heterogenisierung, die Supported Ionic Liquid Phase (SILP), bei der Isobutan-Alkylierung im Labormaßstab untersucht und mit den Ergebnissen der reinen IL-Phase verglichen.
- Zur Charakterisierung der Isobutanalkylierung wurden weiterhin die Löslichkeiten der Edukte sowie der Produkte in der Katalysatorphase und effektive und intrinsische Reaktionsgeschwindigkeiten bestimmt und der Stofftransport charakterisiert. Es wurde dabei eine extrem schnelle Reaktion bestimmmt, die in einer sehr dünnen IL-Grenzschicht von wenigen Millimetern abläuft. Der Anteil der genutzten zur ungenutzten IL liegt dabei bei einem Wert von 1 zu 10000.
- Mit den ermittelten Kinetiken, Löslichkeiten und Stofftransporteinflüssen wurden die gewonnenen Katalyseergebnisse hinsichtlich Umsatz und Selektivität im vorgestellten kontinuierlichen System beschrieben und eine Auslegung unter Maximierung der Alkylatqualität ermöglicht.
