Modellbasierte Entwicklung eines kontinuierlichen Reaktors zur Herstellung und in-situ Abtrennung von 5-Hydroxymethylfurfural

  • Model-based equimpent design of a continuous reactor for production and in-situ separation of 5-hydroxymethylfurfural

Aigner, Maximilian; Jupke, Andreas (Thesis advisor); Klankermayer, Jürgen (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Kurzfassung

In dieser Arbeit wird die Herstellung von 5-hydroxymethylfurfural (5-HMF) aus Fruktosein einem kontinuierlichen Rohrreaktor vorgeschlagen. In diesem intensivierten Reaktorerfolgt eine in-situ Extraktion von 5-HMF in eine disperse Phase bestehend aus dem Lösungsmittel 2-methyltetrahydrofuran (2-MTHF). Die disperse Phase läuft dabei im Gegenstrom zur kontinuierlichen Phase, in der 5-HMF aus Fruktose gebildet wird. Das in dieser Arbeit untersuchte Stoffsystem stellt eine komplexe Verschaltung von Stofftransport und homogen katalysierter Reaktion dar. Bis zu sieben Einzelkomponenten sind an Reaktion und Stofftransport beteiligt. Aus der Komplexität des Reaktionssystems resultiert eine Vielzahl an Parametern, die das Design des kontinuierlichen Reaktorsbeeinflussen. Um diese zahlreichen Einflussparameter berücksichtigen zu können, wird für die Auslegung des Reaktors ein modellbasierter Ansatz gewählt. Auf Basis einer eigens parametrisierten Zustandsgleichung wird das Phasengleichgewicht des ternären Systems 2-MTHF/Wasser/5-HMF in Abhängigkeit von Zusammensetzung und Temperatur beschrieben. Die Abweichung der modellierten von den experimentellen Werten ist kleiner als 0,02 mol mol−1. Aus der Beschreibung des Phasengleichgewichts können die Transportgrößen Dichte und Viskosität für beide Flüssigphasen im Rahmen der experimentellen Ungenauigkeit beschrieben werden. Die Beschreibung der säurekatalysierten Dehydratisierung von Fruktose zu 5-HMF erfolgt über ein neu entwickeltes Kinetikmodell. Dieses Kinetikmodell erlaubt eine detaillierte Beschreibung der zeitlichen Konzentrationsänderung hervorgerufen durch Reaktion und Stofftransport in die organische Phase. Sedimentation und Stofftransport in der dispersen Phase werden auf Basis von Einzeltropfenexperimenten untersucht. Auf Basis dieser experimentellen Datenwerden Modelle parametrisiert, die eine mathematische Beschreibung von Sedimentation und Stofftransport am Einzeltropfen erlauben. Die Sedimentationsgeschwindigkeit wird dabei mit einer Genauigkeit von 0,015mms−1 beschrieben. Die Abweichung der modellierten Werte von den experimentellen Ergebnissen des Einzeltropfenstofftransports ist weniger als 4%. Das Gesamtmodell für die Beschreibung der örtlichen und zeitlichen Konzentrationsverläufe im flüssig-flüssig Rohrreaktor erlaubt eine schnelle Abschätzung des Potentials dieser Bauform. Durch die effiziente Extraktion in der Gegenstromfahrweise wird die 5-HMF-Ausbeute im Vergleich zu Batch-Versuchen um 16% gesteigert. Zusätzlich wurde ein Validierungsversuch in einer eigens entwickelten Technikumsanlage durchgeführt. Die experimentellen Ergebnisse dieses Versuchs können vom Reaktormodell mit einer Genauigkeit von mehr als 80% wiedergegeben werden. Eine Extrapolation der Versuchsergebnisse zum stationären Punkt zeigt, dass im Rohrreaktor eine 5-HMF-Selektivität von 93% bei 30% Fruktose Umsatz erreicht werden kann. Die Durchführung der zweiphasigen 5-HMF-Synthese in dem hier entwickelten flüssig-flüssig Rohrreaktor bietet somit deutliche Vorteile gegenüber der Batch-Fahrweise.

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