Reaktionskinetische und reaktionstechnische Untersuchungen zur Alkylierung von C4-Kohlenwasserstoffen unter Verwendung ionischer Flüssigkeiten als Katalysatoren
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im vorliegenden Projekt wurde die Möglichkeit untersucht, acide ionische Flüssigkeiten anstelle der stark toxischen industriellen Katalysatoren (HF und H2SO4) für die C4-Alkylierung einzusetzen. Dazu wurden diskontinuierliche Rührkesselexperimente sowie kontinuierliche Versuche in einem eigens für die Alkylierung entwickelten, neuartigen Tropfensäulenreaktor durchgeführt. Als entscheidende Betriebsparameter für die Optimierung von Alkylatqualität und –ausbeute wurden das P/O-Einsatz-Verhältnis, der Einsatz von t-Butyl-Additiven sowie die Maximierung der Phasengrenzfläche IL-Feed identifiziert. Insbesondere die kontinuierlichen Flüssigphasenexperimente mit kontinuierlicher Zugabe des Additivs lieferten vergleichbare Alkylatqualitäten wie beim industriellen Prozess auf der Basis von HF und H2SO4. Eine erste grobe Abschätzung eines industriellen IL-Alkylierungskonzeptes zeigt, dass die Betriebskosten einer solchen Anlage mit ionischen Flüssigkeiten nur zu einem geringen Benzinpreisanstieg führen würden. Der neuartige Tropfensäulenreaktor wurde anlagen- und reaktionstechnisch charakterisiert und konnte erfolgreich für die Isobutan-Alkylierung mit ionischen Flüssigkeiten eingesetzt werden. Die Fähigkeit andere Flüssig/Flüssig-Reaktionen mit ionischen Flüssigkeiten als Katalysatoren zu realisieren, muss in Folgeprojekten weiter untersucht werden. Insgesamt problematisch und hinsichtlich einer Prozessoptimierung entscheidend ist die Beeinflussung und Messung der Tropfengrößen im Tropfensäulenreaktor, die maßgeblich für den Umsatz und die Selektivitäten verantwortlich sind; dies konnte im Projekt gezeigt werden. In zukünftigen Arbeiten sollte daher der Fokus auf eine genaue Messung der Tropfengrößenverteilung und auf die Beschreibung der Tropfenbewegung im Reaktor gelegt werden. Ein zweiter wichtiger Punkt, der einer Kommerzialisierung der IL-Alkylierungskatalysatoren noch im Wege steht, ist ihre starke Deaktivierung, die allerdings durch eine konstante Zugabe von Additiven wie t-BuCl oder HCl unterdrückt werden kann. Hier müssten in Folgeprojekten noch Langzeitversuche durchgeführt und gegebenenfalls geeignete Regenerations- bzw. Reaktivierungskonzepte entwickelt werden. Neben der Löslichkeit der Edukte und Produkte im IL-Katalysator konnte auch die Reaktionskinetik der Alkylierungsreaktion ermittelt werden. Da der Stofftransport-Einfluss von der organischen Phase an bzw. in die IL-Tröpfchen im diskontinuierlichen Reaktor durch die verwendeten Rührer nicht ausgeschlossen werden konnte, wurde erstmalig die intrinsische Kinetik aus Messungen der effektiven Reaktionsgeschwindigkeit sowie der IL-Tröpfchengrößenverteilung im Reaktor bestimmt. Die Immobilisierung der aciden IL auf porösen Trägern (SILP-Konzept) erwies sich aufgrund der schnell auftretenden starken Deaktivierung sowie der schlechten Alkylatqualität als ungeeignet für den Einsatz bei der Isobutan/Buten-Alkylierung.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Alkylation of light olefins by using ionic liquids as catalyst. DGMK Conference “Catalysis - Innovative Applications in Petrochemistry and Refining” 4.-6.10.2011, Dresden. Preprints. Hrsg. von Stefan Ernst. Bd. 1. Hamburg: DGMK, 2011, S. 233–238. ISBN: 3936418934
Stephan Josef Aschauer, Andreas Jess
- Liquid-phase Isobutane / Butene-alkylation using promoted Lewis-acidic IL-catalysts. Catal Lett 141 (2011), S. 1405–1419
Stephan Josef Aschauer, Lisa Schilder, Wolfgang Korth, S. Fritschi, Andreas Jess
- Kontinuierliche Isobutan/2-Buten Alkylierung in einem Tropfensäulenreaktor unter Verwendung von aciden ionischen Flüssigkeiten als Katalysatoren. Dissertation (2012), Universität Bayreuth, Bayreuth
Stephan Josef Aschauer
