Optimale Reaktionsführung durch Reaktor-Tandems am Beispiel der Hydroformylierung von 1-Dodecen

Abstract

Durch die immer knapper werdenden Rohstoffe müssen verfahrenstechnische Stoffwandlungsprozesse dahingehend optimiert werden, dass möglichst viel des eingesetzten Eduktes in das Zielprodukt umgewandelt wird. Die Optimierung der Reaktionsführung ist im Falle von Reaktionsnetzwerken besonders gewinnbringend, da die Bildung von unerwünschten Folge- und Nebenprodukten stark verringert wer- den kann. Mittels innovativer Methoden wurden computergestützt viele neuartige Prozess- und Reaktionsführungsstrategien entwickelt, doch nur die wenigsten davon werden tatsächlich in die Praxis überführt und überprüft. Die vorliegende Arbeit stellt eine Ausnahme dar, in der zwei in-silico ausgelegte Reaktor-Tandems zur Um- setzung der optimalen Reaktionsführung apparativ realisiert, experimentell charakterisiert und verglichen werden. Den Grundstein hierzu legten Kaiser et al. (2017), die für die Hydroformylierung von 1-Dodecen zwei Reaktor-Tandems auslegten, um die Selektivität des Zielproduktes Tridecanal bei hohen Umsätzen zu maximieren. Beide Reaktor-Tandems wurden im Rahmen dieser Arbeit konstruiert, in eine Miniplant integriert und mit geschlos- senem Katalysatorkreislaufstrom betrieben. Für die Rückgewinnung des hochselek- tiven homogenen Katalysators wurde ein thermomorphes Lösungsmittelsystem ver- wendet womit der Katalysator mittels Flüssig/Flüssig-Trennung zurückgewonnen werden kann. Damit beide Reaktor-Tandems miteinander verglichen werden können, wurden einzelne Prozessparameter fixiert. Dies ermöglicht weiterhin den direkten Vergleich zum bisherigen Benchmark-Prozess, bei dem ein einzelner kontinuierlich betriebener Rührkesselreaktor (CSTR) verwendet wurde. Die Reaktor-Tandems bestehen aus a) einem Wendelrohrreaktor (HCTR) gefolgt von einem CSTR sowie b) einem zyklisch betriebenen Semibatch-Reaktor (RSBR) gefolgt von einem CSTR. Die Reaktoren wurden nach den Vorgaben von Kaiser et al. (2017) konstruiert und zeichnen sich durch ein innovatives Design aus, wo- durch der Reaktionsfortgang zielgerichtet manipuliert werden kann. Der Wendelrohr- reaktor wurde so ausgelegt, dass dieser im segmentierten Taylor-Strömungsregime betrieben wird, um den Gas-Flüssig-Stofftransport zu maximieren und gleichzeitig die axiale Rückvermischung zu minimieren. Die wendelförmige Aufwicklung führt zu einer Intensivierung der radialen Durchmischung und ermöglicht gleichzeitig ein kompaktes Design. Der Rohrreaktor wurde in Zonen aufgeteilt, dadurch kann die Reaktionstemperatur optimal entlang HCTR eingestellt werden. Dahingegen bietet der zyklisch betriebene Semibatch-Reaktor die Möglichkeit, die Reaktionsbedingungen kontinuierlich während der Batch-Reaktionszeit zu verändern. Die Integration dieses satzweise betriebenen Reaktors in einen kontinuierlichen Prozess wurde durch die Installation zweier Pufferbehälter vor und nach dem Reaktor ermöglicht. Die Ergebnisse der Betriebskampagnen zeigen, dass mit den beiden Tandems im Ver- gleich zu einem einzelnen Rührkesselreaktor, der 1-Dodecen-Umsatz und die Ausbeu- te des Zielproduktes Tridecanal um je bis zu 25 % gesteigert werden kann. Weiterhin wurden höhere Raum-Zeit-Ausbeuten erreicht, obwohl die Volumina der Reaktor-Tandems deutlich größer sind als das Volumen des Rührkesselreaktors. Die Gegenüberstellung beider Reaktor-Tandems deckte deren Vorzüge und Nachteile auf. Das Wendelrohrreaktor-Tandem ist einfach aufgebaut und äußerst robust im Be- trieb. Nachteilig am HCTR ist, dass dieser durch seine fehlende Rückvermischung nur für die Hydroformylierung terminaler Olefine eingesetzt werden kann und eine geringere Anzahl an Freiheitsgraden besitzt als der zyklisch betriebene Semibatch-Reaktor. Durch seine Satz-Betriebsweise ist der RSBR äußerst flexibel aber auch deutlich komplexer im Aufbau und Betrieb. Zusammenfassend demonstriert diese Arbeit das chemische Herstellungsprozesse durch den Einsatz maßgeschneiderter Reaktoren und optimierter Reaktionsführung nachhaltig intensiviert werden können.

Through the shortage of raw material, all chemical processes need to be optimized to convert as much as possible of the deployed feedstock into valuable products. This optimization is especially advantageous for reaction networks, because the formation of undesired side products can be decreased in a big manner, by optimized reaction control strategies. Using advanced computer-assisted methodologies, many new process strategies and optimal reactor designs have been developed, but only very few of them were actually constructed and operated. This thesis is an exception, wherein two in-silico designed reactors are sized, operated, experimentally characterized and compared to each other. The basis of this thesis are the two tailored reactor tandems designed by Kaiser et al.(2017), to maximize the yield of the target product tridecanal at high 1-dodecene conversions. Both reactor tandems were constructed and continuously operated within an integrated miniplant setup with closed catalyst recycle stream. For the recovery of the homogeneous catalyst, a thermomorphic solvent system was used, whereby the catalyst is separated via a simple liquid/liquid separation step. For the comparability of both reactor tandems, some process parameters were left unchanged. Furthermore, this enables the comparison with the benchmark process so far, where a single continuously operated stirred tank reactor (CSTR) was used. The reactor tandems consist of a helically coiled tubular reactor (HCTR) followed by a CSTR and a repeatedly operated semibatch-reactor (RSBR), which is followed by a CSTR, too. Both reactor tandems were sized and constructed using the specifications from Kaiser et al. (2017) and enable the target-oriented manipulation of the reaction progress via different degrees of freedom. The helix reactor is operated within the Taylor flow regime, through which the gas-liquid mass transfer is maximized while at the same time the axial backmixing is minimized. The coiling of the tubular reactor leads to intensified radial mixing and a very compact design. The reaction progress can be manipulated via different heating zones alongside the HCTR. In contrast to that, the design of the repeatedly operated semibatch-reactor enables a continuous adjustment during the batch-reactions. For the integration of this batch-wise operated reactor into the continuously operated process, the installation of two puffer vessels before and after the SBR was necessary. The results from the operations of both reactor tandems show, that the tridecanal yield and 1-dodecene conversions are enhanced by 25 % in comparison to the single stirred tank reactor. Furthermore, higher space-time-yields where gained using both reactor tandems, although these reactors have much bigger reaction volumes than the stand-alone CSTR. The direct comparison of both reactor tandems revealed their advantages and disadvantages. The HCTR is build out of a simple coiled tube and is therefore very robust during the operation. However, due to the lack of backmixing, the tubular reactor should only be used for the hydroformylation of terminal olefins and features less degrees of freedom than the RSBR. The repeatedly operated semibatch-reactor is very flexible, but much more effort was necessary for the construction and operation. Summing up, this work demonstrates the intensification of chemical production processes in a sustained manner, by a tailored reactor design and the usage optimized reaction conditions.