Lehrstuhl für Thermische Verfahrenstechnik (TVT)

Heterogen katalysierte Reaktivdestillation mit SULZER KATAPAK(r)

Dipl.-Ing. Dr. techn. Herwig Landschützer

Eine Reaktivdestillationskolonne mit Ø 70 mm, Länge 1 m, wurde mit Katalysator SULZER KATAPAK gefüllt mit DOWEX Monosphere 650 C. Die Kolonne wurde als reine Abtriebsäule betrieben, wodurch nur die reaktive Packungsschicht im weiteren analysiert wurde. Als Modellreaktion kam die Veresterung von Essigsäure mit 1-Propanol zu 1-Propylacetat und Wasser infrage, wozu allerdings erst die Kinetikevaluation in einem Batch-Reaktor unter Berücksichtigung thermodynamischer Potentiale (Aktivitäten) unter Auswertung der Daten mittels SIMUSOLV(r) erfolgte, wobei ein Eley-Rideal-Mechanismus festgestellt wurde. Ebenso war es notwendig, die hydraulischen Effekte der Packung unter Verwendung des Systems Luft - Wasser festzustellen. Es wurde dazu der Druckverlust, die Peclet-Zahl der Flüssigphase bzw. der Flüssiganteil innerhalb des Packungselementes bei verschiedenen Belastungen ermittelt.

Stoff- und Energietransport sowohl über die Flüssig-Dampf- als auch über die Flüssig-Festgrenzfläche wurde unter Zugrundelegung der NEQ-Theorie nach MAXWELL-STEFAN modelliert, wobei die axiale Rückvermischung berücksichtigt wurde. Es wurden dabei die Dimerisation der Essigsäure in der Dampfphase und die Aktivitätskoeffizienten in der Flüssigphase (UNIQUAC-Gleichung) berücksichtigt. Auf Basis erfolgter Kolonnensimulation wurde eine Sensibilitätsstudie der Schlüsselparameter durchgeführt. Es zeigte sich, daß thermodynamische Parameter, Stoffaustauschflächen und Transferkoeffizienten gro&szligen Einfluß auf das Simulationsergebnis haben.

Durch die hohe Katalysatordichte der SULZER-Packung konnten nahezu instantane Reaktionsgeschwindigkeiten erreicht werden. Die Kinetikgleichung wäre demnach durch das chemische Massengleichgewicht zu ersetzen, was eine wesentliche Modellvereinfachung bringt. Diese hohe Effektivität der chemischen Umsetzung im gewählten System dämpft auch ganz wesentlich den Einfluß der Dispersion (trotz niedriger Peclet-Zahlen von 5 bis 10), da durch die destillative Abtrennung von Wasser die Reaktion quasi irreversibel gestaltet wird. Eine Rückvermischung vom erzeugten Produkt führt zu keiner reversiblen Zersetzung und hat vernachlässigbaren Einfluß auf die reaktive Umsetzung, wodurch ähnliche Resultate wie in einem Strömungsreaktor mit Pfropfenströmung erzielt werden.

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