Heterogen katalysierte Reaktivdestillation : Stoffdaten, Experimente, Simulation und Scale-up am Beispiel der Synthese von Hexylacetat

Abstract

Die heterogen katalysierte Reaktivdestillation ist eine Verfahrensvariante, der in der Chemischen Industrie eine hohe Aufmerksamkeit gewidmet wird, die aber wegen technischer Unsicherheiten verbunden mit fehlender Erfahrung noch vergleichsweise selten zum Einsatz kommt. Mit dem Ziel einer erhöhten Realisierungssicherheit wird in dieser Arbeit eine detaillierte Analyse der Einflussfaktoren auf dieses Verfahren am Beispiel der gleichgewichtslimitierten Veresterungsreaktion von Hexanol mit Essigsäure zu Hexylacetat und Wasser durchgeführt. Der eingesetzte Katalysator ist Amberlyst CSP2. Neben der Hauptreaktion ist die Bildung von Hexen und Dihexylether in Nebenreaktionen relevant. Diese Arbeit zeichnet sich dadurch aus, dass sie umfassend sowohl über die experimentelle Seite als auch die der Modellierung und Simulation berichtet. Mit Reaktivdestillationsexperimenten im Labor- und im Pilotmaßstab wird die größte veröffentlichte Datenbasis dieses Verfahrens geschaffen. Diese Experimente sind der Vergleichsmaßstab zur Beurteilung von Modellierung und Simulation. Weiterhin werden insbesondere Reaktionskinetik und Phasengleichgewichte detailliert untersucht, um eine vollständige, validierte Stoffdatenbasis - die Voraussetzung einer sinnvollen Simulation - bereit zu stellen. Für die Simulation werden sowohl das Gleichgewichtsstufenmodell als auch das rate-based Modell verwendet. Der Schlüssel zur erfolgreichen Simulation der Reaktivdestillation liegt in der Übertragbarkeit der im Laborreaktor ermittelten Reaktionskinetik auf die Bedingungen in der Reaktivdestillation. In diesem Zusammenhang dienen Experimente in einem Rieselbettreaktor der Untersuchung und Quantifizierung des Einflusses der Fluiddynamik. Darüber hinaus werden praktische Aspekte bezüglich Reaktionszonendimensionierung und Nebenreaktionen ebenfalls diskutiert. Mit den Methoden und Erfahrungen dieser Arbeit werden maßgebliche Beiträge zum sicheren Design und Scale-up der heterogen katalysierten Reaktivdestillation geleistet.

Heterogeneously catalyzed reactive distillation is a process variant of great interest for the chemical process industry. However, due to technical uncertainties in combination with the lack of experience, this process still is rarely applied. Following the objective of increased realization security, a detailed analysis of the factors important for this process is carried out. This is exemplified with the equilibrium limited esterification of hexanol with acetic acid to form hexyl acetate and water. Amberlyst CSP2 is used as catalyst. Besides the main reaction named, the formation of hexene and dihexyl ether in side reactions is relevant. This work features the comprehensive research both on the experimental side and on the side of modelling and simulation. The reactive distillation experiments in laboratory and in pilot scale form the largest data base published in literature. These experiments form the standard of comparison to judge about modelling and simulation. Further, a special focus was on the detailed examination of reaction kinetics and phase equilibria in order to supply a complete and reliable property data base - a pre-requisite for a meaningful simulation. Simulation was made using not only the equilibrium stage model but also the rate-based model. The key to successful simulation of heterogeneously catalyzed reactive distillation is found to be the transfer of reaction kinetics from its determination in a laboratory reactor to the conditions present in the reactive distillation column. In this context trickle-bed reactor experiments served to examine and quantify the impact of fluiddynamics. Beyond, pracical aspects with regard to reactive zone sizing and the occurrance of side reactions are discussed as well. With the methods applied and the experience gained, this work contributes to the safe design and scale-up of heterogeneously catalzed reactive distillation.