Einsatz ionischer Fluide als Katalysator in der homogenen Reaktivdestillation unter Berücksichtigung reaktionskinetischer Aspekte

Diploma Thesis , 2007 , 91 Pages , Grade: 1,3

Engineering - Chemical Engineering

Der Einsatz Ionischer Flüssigkeiten (IL) in verschiedenen Anwendungen wird derzeit intensiv untersucht. Ziel der hier berichteten Arbeiten ist die Verwirklichung einer säurekatalysierten Umesterung von Ethylacetat mit Butanol mit IL als Katalysator bei gleichzeitiger kontinuierlicher Reaktivdestillation und anschließendem Katalysatorrecycling unter den Aspekten Optimierung des Katalysators, Reaktionsystems und der Verfahrensweise sowie der Auftrennung der Produktmischung. Es wurden verschiedene IL synthetisiert und eingesetzt. Butylethylimidazoliumhydrogensulfat konnte sich aufgrund der katalytischen Aktivität bewähren. Die Reaktion wurde batchweise sowohl im Rührkolben wie in einem 5 L-Umlaufreaktor untersucht. Als Reaktionskontrolle diente Gaschromatographie. Die IL wurde durch Verdampfung der flüchtigen Komponenten rezykliert, die Aktivität durch Titration und Testreaktionen ermittelt. Es konnte gezeigt werden, dass die IL, bei um ca. 90 % geringerer Korrosivität[2], eine ähnliche Aktivität wie Schwefelsäure als Katalysator besitzen. Die effektive katalytische Aktivität hängt von der Löslichkeit im Reaktionssystem ab, die am vorliegenden Beispiel erheblich verbessert werden konnte [2]. Rezyklierter Katalysator zeigt aufgrund des noch nicht optimierten Recyclingprozesses nach dem ersten Gebrauch etwa 30 % Aktivitätsverlust [2]. Die Reaktionsgeschwindigkeit hängt stärker von der Butanol- als von der Ethylacetatkonzentration ab. Das optimale Molverhältnis der Edukte liegt bei etwa 1 : 3 zugunsten des Butanols. Reaktionstechnische Kenndaten sind in guter Übereinstimmung mit Literarurangaben [1]. Die technische Umsetzung liefert höhere Ausbeuten als im Laborrührreaktor. Weitere Untersuchungen adressieren die Rezyklierbarkeit der IL sowie die Übertragung auf weitere Stoffsysteme.

Inhaltsverzeichnis (Table of Contents)

• Symbolverzeichnis
• Abbildungsverzeichnis
• Tabellenverzeichnis
• 1. Einführung
• 2. Grundlagen
  • 2.1 Ionische Flüssigkeiten
  • 2.2 Homogene Katalyse
  • 2.3 Reaktivdestillation
  • 2.4 Umesterung
  • 2.5 Thermodynamische und Kinetische Aspekte
    • 2.5.1 Umsatz, Ausbeute Selektivität
    • 2.5.2 Gleichgewicht
    • 2.5.3 Kinetik
• 3. Material und Methoden
  • 3.1 Darstellung des Katalysators
    • 3.1.1 Darstellung von 1-Butyl-3-ethylimidazoliumhydrogensulfat
    • 3.1.2 Darstellung weiterer verwendeter ionischer Flüssigkeiten
  • 3.2 Messungen am Modellsystem
    • 3.2.1 Versuchsdurchführung
    • 3.2.2 Messungen
  • 3.3 Weitere Untersuchungen
    • 3.3.1 Untersuchungen auf hygroskopische Eigenschaften
    • 3.3.2 Untersuchungen auf Löslichkeit
  • 3.4 Analytik
    • 3.4.1 Gaschromatographie
    • 3.4.2 Ionenchromatographie
    • 3.4.3 Kernresonanzspektroskopie (NMR)
• 4. Ergebnisse und Diskussion
  • 4.1 Bestimmung der Reaktionsordnung
  • 4.2 Bestimmung der Geschwindigkeitskonstanten / Vergleich der Reaktionsgeschwindigkeiten
    • 4.2.1 Untersuchung des BEIM-HSO4
    • 4.2.2 Untersuchung des Bu3NH-HSO4
    • 4.2.3 Vergleich verschiedener Katalysatoren
    • 4.2.4 Reaktionsgeschwindigkeiten bei Reaktivdestillation
    • 4.2.5 Fehlerbetrachtung
  • 4.3 Bestimmung der Aktivierungsenergien
• 5. Zusammenfassung und Ausblick

Zielsetzung und Themenschwerpunkte (Objectives and Key Themes)

Die vorliegende Diplomarbeit befasst sich mit dem Einsatz ionischer Fluide als Katalysatoren in der homogenen Reaktivdestillation. Der Fokus liegt dabei auf der Untersuchung der kinetischen Aspekte der Umesterungsreaktion von Butanol mit Essigsäure zu Butylacetat, katalysiert durch verschiedene ionische Fluide. Die Arbeit soll einen Beitrag zum Verständnis der Einsatzmöglichkeiten ionischer Fluide als Katalysatoren in der Reaktivdestillation liefern.

• Untersuchung der Reaktionskinetik der Umesterungsreaktion von Butanol mit Essigsäure zu Butylacetat
• Vergleich der katalytischen Aktivität verschiedener ionischer Fluide
• Einfluss der Reaktivdestillation auf die Reaktionsgeschwindigkeit
• Bestimmung der Aktivierungsenergien der Umesterungsreaktion
• Bewertung des Potenzials von ionischen Fluiden als Katalysatoren in der Reaktivdestillation

Zusammenfassung der Kapitel (Chapter Summaries)

Das erste Kapitel der Diplomarbeit bietet eine umfassende Einführung in die Thematik der Arbeit. Es werden die relevanten Grundlagen zu ionischen Flüssigkeiten, homogener Katalyse, Reaktivdestillation und der Umesterungsreaktion erläutert. Die Kapitel 2 und 3 befassen sich mit den verwendeten Materialien und Methoden. Im zweiten Kapitel werden die verwendeten ionischen Fluide und die experimentellen Methoden zur Durchführung der Umesterungsreaktion beschrieben. Das dritte Kapitel behandelt die Durchführung der Messungen und die Analytik der Reaktionsprodukte. In den Kapiteln 4 und 5 werden die Ergebnisse der Untersuchungen und die Diskussion der erzielten Ergebnisse präsentiert. Die Arbeit gipfelt in einer Zusammenfassung der wichtigsten Ergebnisse und einem Ausblick auf zukünftige Forschungsarbeiten.

Schlüsselwörter (Keywords)

Ionische Flüssigkeiten, Homogene Katalyse, Reaktivdestillation, Umesterung, Kinetik, Aktivierungsenergie, Butanol, Essigsäure, Butylacetat, BEIM-HSO4, Bu3NH-HSO4.

• College: Technical University of Braunschweig
• Grade: 1,3
• Author: Jan C. Kuschnerow (Author)
• Publication Year: 2007
• Pages: 91
• Catalog Number: V173951
• ISBN (eBook): 9783640942589
• ISBN (Book): 9783640942558
• Language: German
• Tags: einsatz, fluide, katalysator, reaktivdestillation, berücksichtigung, aspekte