Herstellung von Oxymethylenethern anhand von alternativen Reaktionskonzepten

Gierlich, Christian Henning; Palkovits, Regina (Thesis advisor); Jupke, Andreas (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021, 2022)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Kurzfassung

In dieser Dissertation werden Prozess- und Reaktionskonzepte für die Herstellung von Oxymethylenether (OME$_X$) erarbeitet. OME$_X$ sind sauerstoffhaltige Oligomere ohne direkte kovalente C-C-Bindung. Sie zeigen in Dieselmotoren ein sehr gutes Emissionsprofil mit einer geringen NO$_X$- und Rußemission. OME$_X$ mit einer Kettenlänge von 3-5 sind aufgrund ihrer dieselähnlichen Eigenschaften bestens geeignet für den schonenden und umweltfreundlichen Einsatz im Transportsektor. Die benötigte Menge an flüssigen Kraftstoffen im Transportsektor ist enorm und erfordert, im Sinne einer umweltfreundlichen Herstellung, effiziente Prozesse für die Einführung eines neuartigen Kraftstoffes, der nicht auf begrenzt verfügbaren fossilen Rohstoffen basiert. Diese Dissertation befasst sich mit der Herstellung von OME$_{3-5}$ unter Verwendung von neuartigen Prozesskonzepten. Dafür werden die wichtigsten Stellschrauben in der OME-Synthese differenziert untersucht und bewertet. Ein entscheidendes Kriterium für eine effiziente Synthese ist die Auswahl der Edukte. Hierzu werden OME$_1$ als kleinstes Oligomer sowie wässriges Formaldehyd als Edukte gewählt. Die Reaktion wird in einem Rohrreaktor durchgeführt und analysiert. Hierzu wird in der Arbeit eine Formgebungsmethodik für das Design des Katalysators erarbeitet, womit sich aus Zeolithpulvern erfolgreich Formen und Geometrien erstellen lassen. Diese Geometrien sind zum einen in ihren Strömungseigenschaften vorhersagbar. Zum anderen lassen sich Druckverlust und Verweilzeit über die Geometrie einstellen. Anhand der erhobenen Daten konnte gezeigt werden, dass der Druckverlust über den Katalysator maßgeschneidert werden kann. Die Reaktion unterliegt einem Gleichgewicht, wobei H$_2$O als Koppelprodukt entsteht. Für ein effizientes Prozesskonzept werden Koppelprodukte und Nebenprodukte von OME$_2$ und OME$_{6+}$ abgetrennt. Nebenprodukte können hierbei zurück in den Reaktor geführt werden. Eine Rückführung von Koppelprodukten verschiebt allerdings das Gleichgewicht zugunsten der Edukte. Daher sollten die Koppelprodukte aus dem Prozess entfernt werden. Aufgrund des ähnlichen Siedepunktes von H$_2$O und OME$_2$, kann mittels Destillation lediglich ein Gemisch aus H$_2$O und OME$_2$ abgetrennt werden. Daher wird für eine weiterführende Auftrennung die Adsorption als Trennmethodik betrachtet. Hierfür wird in der Arbeit ein Materialscreening mit verschiedenen Aktivkohlen sowie hochvernetzten Polymeren durchgeführt. Zudem wird sowohl die Desorption der Materialien als auch deren Einfluss auf den Gesamtprozess bei einer potenziellen Prozessrückführung des H$_2$O-OME$_2$-Gemisches begutachtet. Eine weitere Methodik zur Abtrennung bzw. Verschiebung des Reaktionsgleichgewichtes ist das Trennverfahren der Extraktion. Hierbei werden in der vorliegenden Dissertation zwei unterschiedliche Ansätze betrachtet. Eine Möglichkeit besteht darin, OME$_X$ nach der Reaktion aus dem Reaktionsgemisch zu trennen. Eine andere Möglichkeit ist die Extraktion während der Reaktion durchzuführen, um das Gleichgewicht über die Verschiebung der Komponenten in unterschiedliche Phasen zu beeinflussen. In der Arbeit wurde erfolgreich ein Modell für ein Lösungsmittelscreening etabliert, worüber potenziell mögliche Extraktionsmittel ausgewählt und auf ihre Eignung in einem industriellen Prozessmaßstab überprüft werden konnten. Somit können die Ergebnisse dieser Arbeit, insbesondere die entwickelten Modellierungen, einen Beitrag dazu leisten, die Entwicklung von umweltfreundlichen und energiearmen Prozessen zur Herstellung von chemischen Produkten schnell und kosteneffizient voranzutreiben.