Butil propiyonat eldesine yönelik esterleşme reaksiyonunun amberlıte IR-120 katalizörü varlığında pervaporasyon membran reaktörde incelenmesi
Investigation of the esterification reaction for the production of butyl propionate in pervaporation membrane reactor using amberlite IR-120 catalyst
Yazar: ÜMMÜHAN ÇİMENLER
Danışman: PROF. DR. SALİH DİNÇER
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2011
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Esterleşme = Esterification ; Membran reaktör = Membrane reactor ; Pervaporasyon = Pervaporation

Özet:
Pervaporasyon membran reaktörler, özellikle denge reaksiyonlarında oluşan ürün ya da ürünleri reaksiyon ortamından uzaklaştırmak suretiyle dönüşümün artmasını sağlayan, reaksiyonun ve ayırmanın aynı anda gerçekleştiği sistemlerdir. Bir sıvı karışımından bir veya daha fazla bileşeni ayırmak için seçici polimerik membranların kullanıldığı pervaporasyonda, membranın bir tarafıyla temas halindeki ayrılacak olan sıvı karışımı membrana seçici sorplandıktan sonra membran boyunca seçici difüzlenerek membranın diğer tarafından uygun bir vakum altında buhar fazında çıkar ve ürün yoğuşturularak alınır. Geleneksel ayırma yöntemlerine nazaran daha az enerji gerektiren ve daha az maliyetli olan pervaporasyon prosesi, esterleşme sırasında oluşan ürün ya da ürünleri reaksiyon ortamından uzaklaştırmak suretiyle reaksiyonu uygun bir yöne kaydırarak dönüşümün artmasını sağlar ve reaksiyon zamanını kısaltır. Pervaporasyon membran reaktörde (PVMR) uygun membranın kullanılmasıyla geleneksel esterleşme proseslerine oranla daha yüksek dönüşümler elde edilmektedir.Yapılan bu yüksek lisans çalışmasında, özellikle kozmetik, aroma ve boya endüstrilerinde geniş kullanım alanlarına sahip değerli bir çözücü olan butil propiyonatın pervaporasyon-esterleşme denge reaksiyonu, Amberlite IR-120 katalizörü varlığında, ürünün daha yüksek dönüşümlerle elde edildiği PVMR' de, 50-70°C sıcaklık aralığında incelenmiştir. Reaktan oranının, katalizör derişiminin ve sıcaklığın dönüşüm üzerine etkileri incelenmiştir. Membran olarak, esterlere karşı seçici olan çapraz bağlı polidimetilsiloksan (PDMS) membran laboratuvarımızda hazırlanıp kullanılmıştır. Başlangıç reaktan oranı (n-butanol/propiyonik asit) 1:1, 1.5:1 ve 2:1, katalizör derişimi ise 3.33, 10 ve 16.67 g/L olarak alınmıştır. Çalışılan membran alanının besleme karışımının hacmine oranı 0.1325 cm-1' dir. Pervaporasyon membran reaktörde (PVMR) çalışılan tüm deneyler, aynı şartlar altında membransız kesikli reaktörde (SBR) de gerçekleştirilmiştir. Böylece membran reaktörün etkinliği ortaya konulmuştur. Sıcaklığın artması hem membranın geçirgenliğini, hem de reaksiyon hızını arttırdığı için dönüşümü ve akıyı arttırıcı yönde etkilemiştir. Reaktanlardan birisinin fazla kullanılması dengeyi ürünler yönüne kaydırdığı için reaktan oranının arttırılması dönüşümü arttırmıştır. Katalizör derişiminin artması ile de dönüşüm artmıştır.

Abstract:
Pervaporation membrane reactors are the systems in which the separation and reaction are carried out simultaneously in order to increase conversions by removing one or more of the products formed in the equilibrium reactions. In the pervaporation, liquid mixture contacts one side of the membrane surface, is selectively sorbed by the membrane and selectively diffuses through the membrane to be separated on the other side appearing in vapor form with the application of appropriate vacuum. The permeate is condensed and then removed. Removal of the products from the reaction mixture during esterification by pervaporation, reduces cost and energy consumption, and enables increased conversion by shifting the reaction to an appropriate direction, and thus reduces the reaction time when compared with conventional reaction processes. By using appropriate membranes in the pervaporation membrane reactor (PVMR), higher conversions can be achieved compared to conventional esterification processes.In this master thesis, a pervaporation-esterification equilibrium reaction to produce a valuable solvent of butyl propionate, which find wide uses in cosmetics, aroma, and paint industries, at high conversions using Amberlite IR-120 as catalyst was investigated by PVMR in a temperature range of 50-70°C. The effects of the initial molar ratio of reactants, temperature and catalyst concentration on the conversion was investigated. A crosslinked polydimethylsiloxane membrane (PDMS) which is selective to esters was prepared in our laboratory. The initial molar ratios (n-butanol to propionic acid) were chosen as 1:1, 1.5:1, 2:1 and the catalyst concenrations were chosen as 3.33, 10, 16.67 g/L. The ratio of the membrane area/feed mixture volume was 0.1325 cm-1. Reactions were carried out in pervaporation membrane reactor (PVMR) and simple batch reactor (SBR) under the same conditions. Thus, the efficiency of the membrane reactor conversions was determined. Since an increase in temperature, enhances both the permeability of the membrane and the reaction rate the conversions and fluxes increase with the temperature. Since the excess use of a reactant shifts the reaction towards products, increase in the initial molar ratio of reactants, increases the conversion. Besides temperature and initial molar ratio of reactants, the conversion also increases with the catalyst concentration.