reaktor-Rührkesselreaktor (HCTR-CSTR)
Für die Realisierung der optimalen Reaktionsführung wurde von Kaiser et al. (2017) ein helixförmiger Rohrreaktor gefolgt von einem kontinuierlichen Rührkesselreaktor vorgeschlagen. Die Konstruktion, Charakterisierung und der Betrieb dieses Reaktor-Tandems steht im Fokus des nachfolgenden Abschnittes. Für die apparative Realisie-rung wurden die Annahmen und Vorschläge von Kaiser et al. (2017) genutzt. Bevor experimentelle Ergebnisse vom Betrieb des HCTR-CSTR-Tandems vorgestellt wer-den, folgt zunächst eine Beschreibung spezifischer Eigenschaften von Wendelrohrre-aktoren. Den Abschluss dieses Kapitels bilden Hydroformylierungsexperimente mit dem HCTR-CSTR-Tandem mit kontinuierlicher Katalysatorrückführung.
nicht näher von Kaiser et al. (2017) spezifiziert, weshalb ein Aluminiumrohr mit ei-nem Durchmesser von D = 0,306 m verwendet wurde, um den Reaktor möglichst kompakt zu gestalten. Insgesamt wurden297 Wicklungen um dieses Stützrohr gewi-ckelt, sodass der Reaktor ein Gesamtvolumen von V = 2,025 l und eine Länge von L= 290 mbesitzt. Um die Flexibilität des Reaktors zu erhöhen, wurde dieser so kon-struiert, dass er in der Länge gekürzt werden kann. Hierdurch kann die Verweilzeit für verschiedene Experimente bei gleichbleibendem Durchsatz angepasst werden.
Weiterhin wurden insgesamt8Probenentnahmestellen in einer logarithmischen Ska-lierung entlang des Reaktors integriert, um den Reaktionsfortschritt abbilden zu können.
Laut Kaiser et al. (2017) ist die Dosierung von Synthesegas am Reaktoreingang ausreichend. Hierfür wurden zwei Massenstromregler installiert mit denen die Gas-zusammensetzung im Betrieb angepasst werden kann. Das Gas wird über einen T-Mischer in den Reaktor geleitet und so mit der Flüssigphase vermischt. Vorver-suche von Kaiser et al. (2017) zum Reibungsdruckverlust haben gezeigt, dass dieser weitaus geringer ist, als der Druckverlust durch den Gasverbrauch der Reaktion.
Durch die Verbindung zum nachgeschalteten Rührkesselreaktor, ist es notwendig den Druckverlust zu kompensieren, damit kein zusätzlicher Verdichter zwischen den beiden Reaktoren benötigt wird. Aus diesem Grund wurde am Ausgang des Rohr-reaktors ein mechanisches Vordruckregelventil installiert, welches einen isobaren Be-trieb des Reaktors ermöglicht.
Für die Temperierung schlugen Kaiser et al. (2017) vor, die Reaktortemperatur mit-tels mehrerer elektrischer Heizmanschetten zu regeln. Hierzu wurde der Reaktor in vier Zonen eingeteilt, welche unabhängig voneinander beheizt werden können. Damit im Betrieb kein Kamineffekt auftritt, wurde das Stützrohr, um welches der Reaktor gewickelt ist, an beiden Enden verschlossen und isoliert. Weiterhin wurden alle Zu-und Ableitungen, durch welche das thermomorphe Lösungsmittelsystem fließt, mit elektrischen Heizbändern umwickelt, um zu verhindern, dass das TMS in den zwei-phasigen Zustand übergeht.
Zur Drucküberwachung des Reaktors wurden am Eingang und Ausgang Druckauf-nehmer installiert. Die Reaktortemperatur wird durch Thermoelemente, welche zwi-schen den Heizmanschetten und dem Reaktorrohr befestigt sind, gemessen. Zur Er-fassung dieser Messsignale und zur Steuerung der elektronischen Bauteile wurde ein eigenständiges Prozessleitsystem programmiert, welches in einem separaten Schalt-kasten untergebracht ist. Ein Foto und das R&I-Fließbild des konstruierten Reaktors sind in Abb. 4.1 und 4.2 dargestellt. Nähere Informationen zu den einzelnen Bau-gruppen des HCTR sind im AnhangA.1 zusammengefasst.
HeizzoneIHeizzoneIIHeizzoneIIIHeizzoneIV
Probeent-Gasversorgung
Auslass Gaseinlass
Vordruck-regelventil
nahmestellen
FlüssigphaseEinlass
1
Abbildung 4.1. Konstruierter Helixreaktor.
4.1.2. Rührkesselreaktor
Der Rührkesselreaktor wurde von Kaiser et al. (2017) weniger genau spezifiziert.
Für die Konstruktion wurde ein 1,0 l Sichtglasautoklav mit Heizmantel genutzt. Im Reaktor wurde ein Scheibenrührer (Rushton-Turbine) mit Begasungswelle verbaut, um den Inhalt zu durchmischen und gleichzeitig ausreichend Gas in die Flüssig-phase eintragen zu können. Zusätzlich ermöglicht die Begasungswelle eine isobare Prozessführung ohne einen zusätzlichen externen Gasumwälzer (Zlokarnik, 1999).
Um einer Trombenbildung im Reaktor entgegenzuwirken, wurde im Reaktor ein Stromstörer angebracht. Für die Synthesegaszufuhr wurden zwei Massenstromreg-ler verbaut, welche im Betrieb durch einen im Prozessleitsystem implementierten Druckregler gesteuert werden. Ein zusätzliches elektronisches Vordruckregelventil am Reaktor bietet die Möglichkeit, kontrolliert Synthesegas aus dem Druckbehälter in eine Abgasstrecke abzulassen. Der Füllstand im Reaktor wird über den Austritts-strom mittels eines MassenAustritts-stromreglers geregelt. Im Betrieb kann der Füllstand
FIC
122
R-013 W-021
W-022
W-027 BF-091
PIR
865 PIR864
PIR
866 TIR772
TIR
774
TIR
783 W-025 TIR781
TIRC
779 H-104H-106
H-107 PIR861
PIR
863
H-103 H-101
H-109
H-108 PC-661
H-112 H-110 H-111 Abgas
W-020
TIRC
771 R-011
TIRC
782 TIRC
775 TIRC
773
TIRC
778
W-024 F-011
F-013 PC-662 H-115
H-116
H-119
H-118
H-117 TIRC
777
W-023 H-120H-121H-122H-123H-124H-125H-126H-127 FIC121
R-012 PIR862
H-102F-012
H-113
H-114 ABC
D ABC
D 2431
2431 Erstellt:M.Jokiel R&lFließbildschemata
HFHelix
Stand:22.12.2017 Schutzgas
Abgas
Steuerung
Gas
Fl¨ussig
Gas/Fl¨ussig Ar,N2
COH2
1-Dodecen
n-Decan
DMFMake-Up
RecycleStrom
B-001 H-128 Y-362 Y-361 H-129
H-130 Vakuum zumCSTR
1Abbildung4.2.R&I-FließbilddesWendelrohrreaktors.
auch über die Schaugläser beobachtet werden. Alle Zu- und Ableitungen zum und vom CSTR wurden mit elektrischen Heizbändern umwickelt, um zu verhindern, dass das Lösungsmittelsystem in den Zweiphasenzustand übergeht. Weiterhin wurde der Reaktor so konstruiert, dass dieser auch für Batch- und Semibatch-Experimente ge-nutzt werden kann. Hierzu wurde ein separater Vorlagebehälter für das Substrat verbaut, mit welchem das Olefin zum Reaktionsstart schlagartig in den Reaktor ge-geben werden kann, wobei der Substratbehälter unter einem höheren Druck gesetzt wird, als der Reaktor.
Das Verfahrensfließbild des Rührkesselreaktors ist in Abb. 4.3 dargestellt. Weitere technische Informationen zu den Baugruppen des CSTR sind im Anhang A.3 zu-sammengefasst.
Der Rührkesselreaktor ist außerdem noch mit einer ATR-Infrarotsonde ausgestat-tet, um die Zusammensetzung der Reaktionsmischung zu erfassen. Damit die Sonde eingesetzt werden kann, muss der Füllstand im Reaktor aber mindestens 500 ml betragen.
4.1.3. Miniplant-Integration des HCTR-CSTR-Tandems
Für die Untersuchungen wurden die beiden Reaktoren in ein Miniplantsetup mit Gas- und Flüssigkeitsversorgung sowie einem Dekanter integriert. Dieser Versuchsauf-bau wurde ebenso im Rahmen dieser Arbeit konstruiert und ist in einem großen Laborabzug untergebracht. Für die Gasversorgung des Setups stehen zwei Kom-pressoren zur Verfügung, um Wasserstoff und Kohlenmonoxid auf die erforderlichen Betriebsdrücke zu verdichten. Weiterhin können alle Druckbehälter mit den Schutz-gasen Stickstoff und Argon beaufschlagt werden. Die Feedströme werden mit drei separaten Hochdruckkolbenpumpen (Katalysator Make-Up, 1-Dodecen und n-De-can) in die Reaktoren gefördert, wobei die Ströme der Pumpen über die permanente Wägung der Vorlagebehälter ermittelt werden.
Für die kontinuierliche Abtrennung und Rückführung der katalysatorhaltigen Phase wurde ein Dekanter konstruiert. Hierzu wurde ein 1,0 l Autoklav mit zwei Schauglä-sern genutzt, da die Abtrennung unter Synthesegasatmosphäre erfolgen muss, um eine Deaktivierung des Katalysators zu verhindern (Wiese und Obst, 2006). Für die Synthesegasversorgung wurden zwei Massenstromregler installiert, welche über einen Druckregler im Prozessleitsystem gesteuert werden. Über ein elektronisches Vordruckregelventil kann auch kontrolliert Gas aus dem Dekanter abgelassen wer-den. Der Autoklav wird über einen Doppelmantel mithilfe eines externen Thermo-staten temperiert. Damit der Füllstand der Katalysatorphase im Betrieb durch die beiden Schaugläser beobachtet werden kann, wurde der Dekanter mit einem
Festbett aus Glaskugeln gefüllt, wodurch sich das Nutzvolumen des Behälters auf V = 0,8 l reduziert. Weiterhin wurden Strömungsbarrieren im Dekanter installiert, um die Phasenseparation zu unterstützen und Kurzschlussströmungen zu unterbin-den. Der Austrag der Katalysatorphase erfolgt durch den Behälterboden über eine Hochdruckkolbenpumpe mit nachgeschaltetem Massenstrommesser. Der maximale Füllstand wird mithilfe eines Flüssigkeitsgrenzschalters in der Deckelplatte des Be-hälters überwacht, um ein Überlaufen zu verhindern. Die Produktphase wird über ein Tauchrohr und einer Kolbenpumpe entnommen, wobei die Druckdifferenz zwi-schen dem Dekanter und der Atmosphäre mit einem Überströmventil kompensiert wird. Der Produktstrom wird in einem Behälter gesammelt, dessen Gewicht eben-falls kontinuierlich erfasst wird.
Die Steuerung aller elektronischen Bauteile des Setups und die Erfassung der Mess-signale erfolgt über ein Prozessleitsystem. Es ist zu erwähnen, dass der kontinu-ierliche Rührkesselreaktor (siehe Abschnitt 4.1.2) ebenfalls über dieses Prozessleit-system gesteuert und überwacht wird, während der Helixreaktor und der zyklische Semibatch-Reaktor über eigene Prozessleitsysteme verfügen. Das R&I-Fließbild des Miniplantaufbaus mit dem kontinuierlichem Rührkesselreaktor ist in Abb. 4.3 dar-gestellt. Nähere Informationen zu den einzelnen Baugruppen sind in Anhang A.3 zusammengefasst.