Thermodynamische Analyse gekoppelter Reaktions-Destillations-Prozesse

In dieser Arbeit wird ein neues Werkzeug für den konzeptionellen Entwurf gekoppelter Reaktions-Destillations-Prozesse vorgestellt. Dieses liefert für ein aus beliebig vielen Reaktoren, Destillationskolonnen und Dekantern bestehendes vorgegebenes Verfahrensfließbild, vorgegebene Einsatzströme und Produktspezifikationen nicht nur eine Aussage über die Machbarkeit des Prozesses sondern auch eine vollständige Mengenbilanz für realisierbare Prozesse. Grundlage hierfür ist die Betrachtung thermodynamischer Grenzfälle bei der Reaktion (chemisches Gleichgewicht), der Destillation (infty/ infty- Analyse) und den Phasenscheidern (Flüssig-flüssig Gleichgewicht bzw. flüssige Mehrphasengleichgewichte) sowie eine abschnittsweise lineare Approximation der relevanten Stoffeigenschaften. Die entwickelten Methoden zur Bestimmung der segmentweise linearisierten chemischen Gleichgewichte und Phasengleichgewichte werden ausführlich erläutert und an teilweise äußerst komplexen Testsystemen validiert. Die Beschreibung der thermodynamischen Stoffdaten erfolgt mit gängigen Modellen ohne vereinfachende Annahmen. Die mit dem Werkzeug generierten Ergebnisse stellen exzellente Startwerte für die nachfolgende detaillierte Prozesssimulation gekoppelter Reaktions-Destillations-Prozesse dar. Neben den konventionellen Reaktions-Destillations-Prozessen haben sich in der industriellen Produktion auch hybride und integrierte Prozesse wie die Reaktivdestillation und die Trennwandkolonne etabliert. Eine Weiterentwicklung der Trennwandkolonnentechnologie ist die reaktive Trennwandkolonne, in der weitere Synergieeffekte ausgenutzt werden können. Die heterogen katalysierte Reaktivdestillation in einer Trennwandkolonne wird am Beispiel der gleichgewichtslimitierten Hydrolysereaktion von Methylacetat vorgestellt. Als Katalysator wurde hierzu der Amberlyst 48 eingesetzt. Dabei werden in dieser Arbeit viele Fragen von der Stoffdaten- und Prozessmodellierung beantwortet und eine Vorgehensweise zur Auslegung und prädiktiven Simulation einer reaktiven Trennwandkolonne aufgezeigt. Für die experimentelle Validierung wurden Pilotmaßstabexperimente (Kolonne mit einem Innendurchmesser von 220 mm und eingeschweißter Trennwand) vewendet, die bei der Sulzer Chemtech AG in Winterthur (Schweiz) durchgeführt wurden.