Verfahrenstechnik typischer Reaktions- und Extraktionsprozesse mit ionischen Fluiden

Ziel der vorliegenden Arbeit war es, Systeme mit Edukten und Produkten von Veresterungsreaktionen in ionischen Flussigkeiten (IF)zu untersuchen. Es wurden die Reaktionen von Ethanol, 1-Propanol und 1-Butanol mit Essigsaure zu den entsprechenden Estern: Ethylacetat, Propylacetat und Butylacetat betrachtet. Die drei sauren ionischen Flussigkeiten,1-Methylimidazoliumhydrogensulfat [HMIM][HSO4], 1-Ethyl-3-methylimidazoliumhydrogensulfat [EMIM][HSO4] und 1-Butyl-3-methylimidazoliumhydrogensulfat [BMIM][HSO4], dienten hier als Katalysator und Extraktionsmittel zur Aufarbeitung des Reaktionsgemisches. Ziel war es auch, durch Extraktion mit diesen ionischen Flussigkeiten Reaktionsprodukt(e) aus dem Reaktionsgemisch zu entfernen und ahnlich wie bei der Reaktivdestillation das Reaktionsgleichgewicht zu storen. Daten uber das flussig-flussig Phasengleichgewicht wurden gesammelt. Die Experimente umfassten einerseits ternare nichtreaktive Systeme bestehend aus Alkohol + Ester + IF und Essigsaure + Ester + IF, andererseits wurden reaktive Funfkomponentensysteme, die alle Komponenten, beteiligt an der Reaktion, plus IF enthalten, bestimmt. Um die experimentellen Daten auf ahnliche, nicht untersuchte, Systeme ubertragen zu konnen wurde systematisch der Einfluss mehrerer Parameter auf das Phasengleichgewicht untersucht, wie z.B. die Lange der Alkylkette am Kation oder am Alkohol und die Temperatur. Aus den Messungen wurde klar, dass mit steigender Alkylkette am Kation die Mischungslucken kleiner werden und gleichzeitig die Loslichkeit der Edukte in der ionischen Phase verbessert wird. Eine langere Alkylkette des Alkohols (und des entsprechenden Esters) bewirkt grosere Zweiphasengebiete und verbessert die Loslichkeit der Edukte in der organischen Phase. Da generell eine gewisse Abhangigkeit zwischen Phasengleichgewicht und erreichten Reaktionsumsatz beobachtet wurde, lassen sich die erzielbaren Ergebnisse bei bekanntem Phasengleichgewicht abschatzen. Der Einfluss der Temperatur auf das flussig-flussig Gleichgewicht wurde nur fur die ternaren Systeme untersucht. Kinetische Versuche mit IF als Katalysator ergaben relativ enttauschende Ergebnisse. Die Hydrogensulfate erwiesen sich als schwache Katalysatoren fur diese Reaktionen. In einem grostechnischen Prozess werden deshalb zusatzliche Katalysatoren, wie Schwefelsaure o.a. , notwendig sein. Aus den experimentellen Phasengleichgewichtsdaten und den Kinetikmessungen wurden UNIQUAC- bzw. Kinetikansatz-Parameter durch Anpassung gewonnen. Um die reaktiven Systeme zu simulieren, wurde ein mathematisches Modell, das Phasengleichgewicht und Reaktionsgleichgewicht in einer Gegenstromextraktionskaskade berucksichtigt, in Matlab implementiert. Mehrere vielversprechende Anwendungen der untersuchten ionischen Flussigkeiten wurden simuliert und diskutiert. Wahrend alle untersuchten Hydrogensulfate in der Lage sind, Wasser aus dem Ester/Reaktionsgemisch zu extrahieren, kann man nur [EMIM][HSO4] und [BMIM][HSO4] zur Entfernung von (kurzerkettigen) Alkoholen und Sauren verwenden. Es wurden Reaktivextraktionsverfahren fur die Herstellung von Ethylacetat konzipiert, die die Eigenschaften der jeweiligen IF ausnutzen, um im Wesentlichen Wasser aus dem Reaktionsgleichgewicht zu entfernen und z.B. reinere Produktstrome oder hohere Reaktionsumsatze zu erreichen. Beste Aussichten auf Erfolg von allen drei Salzen hat dabei die IF [EMIM][HSO4], da im hier vorgeschlagenen Verfahren die wenigsten zusatzlichen destillativen Trennschritte zu erwarten sind. Die Simulationen ergeben signifikante Einsparung an Energiekosten gegenuber Reaktivdestillationsverfahren, da hier Energie hauptsachlich nur zum Verdampfen von Wasser notwendig ist.