Analyse eines membranunterstützten Reaktivrektifikationsverfahrens zur Umesterung von Methylacetat mit Butanol

Abstract

Die Kopplung von Reaktivrektifikation und Membrantrennung zu einem reaktiven hybriden Trennverfahren stellt einen weiteren Schritt auf dem Weg zu einem intensivierten Produktionsprozess in der chemischen Industrie dar. Bisherige Arbeiten auf diesem Gebiet beschränken sich bislang auf eine Betrachtung einzelner Teilaspekte des kombinierten Prozesses oder basieren auf Modellierungsansätzen, die keine Übertragung auf den industriellen Maßstab ermöglichen. In der vorliegenden Arbeit wird daher das Prozessverhalten eines reaktiven Hybridverfahrens mit Hilfe aktueller Modellierungswerkzeuge analysiert und ein Konzept zur Auslegung und Optimierung eines solchen Verfahrens entwickelt. Zur Erläuterung der einzelnen Schritte wurde als Beispielprozess ein Verfahren zur Umesterung von Methylacetat mit Butanol zu Butylacetat und Methanol ausgewählt, da sich dieses Verfahren zur Aufbereitung von Nebenprodukten aus der PVA-Herstellung eignet und damit eine technische Relevanz besitzt. Zudem stehen für diesen Prozess experimentelle Literaturdaten zur Bestimmung der notwendigen Modellparameter und Validierung der Simulationswerkzeuge zur Verfügung. Um der Komplexität des Verfahrens Rechnung zu tragen, wurden die einzelnen Prozessschritte Reaktivrektifikation und Membrantrennung zunächst getrennt untersucht. Dabei wurden geeignete physikalisch fundierte Modelle aus einer bestehenden Bibliothek ausgewählt und den veränderten Prozessbedingungen angepasst. Im Vordergrund stand dabei immer die getrennte Berücksichtigung von system-, prozess- und anlagenspezifischen Einflüssen, um eine Übertragung der Arbeitsergebnisse vom Labor auf den industriellen Maßstab zu ermöglichen. Die Arbeiten zu den einzelnen Verfahren umfassen dabei, neben der Modifikation bestehender Prozessmodelle, die Bestimmung der notwendigen Modellparameter sowie eine Validierung des Simulationswerkzeuges anhand von experimentellen Literaturdaten. Um eine Auslegung und Optimierung des Verfahrens zu ermöglichen, wurden die beiden Prozessschritte über die Definition einer Übergabereinheit entkoppelt. Auf diese Weise konnte das Prozessverhalten der einzelnen Verfahrensschritte getrennt analysiert und deren Wechselwirkungen dennoch berücksichtigt werden. Durch die Definition zusätzlicher Randbedingungen wurde auf der Basis von Prozesskosten sowohl die Auswahl eines geeigneten Membranmaterials als auch die Bestimmung der optimalen Übergabereinheit vorgenommen. Damit bietet sich die Möglichkeit, Prozesse, die auf einer Kombination von Reaktivrektifikation und Membrantrennung basieren, zuverlässig zu beschreiben und ihr Potenzial zur Intensivierung chemischer Produktionsprozesse zu beurteilen. Der in dieser Arbeit skizzierte Weg lässt sich auch auf andere integrierte Verfahren übertragen und leistet so einen Beitrag zur Intensivierung chemischer Produktionsprozesse.

The combination of reactive distillation and membrane separation to an integrated hybrid process represents another step towards intensified production in chemical industry. Previous research on this topic is mainly focussed on certain aspects of the combined process or based on simple modelling strategies that do not allow for a scale-up to industrial dimensions. This work is dealing with a detailed analysis of the behaviour of a membrane assisted reactive distillation process with advanced modelling tools to develop a concept for the design and optimisation of such processes. The transesterification of methyl acetate with butanol to butyl acetate and methanol has been chosen as an example, since the resulting integrated process has some industrial relevance in the chemical recovery of side products from and thus contribute to an improved sustainability of PVA production. In addition, suitable experimental data is available in literature to derive the required model parameters and to validate the developed simulation tool. To cope with the complexity of the integrated process, the main steps reactive distillation and membrane separation were investigated separately at the beginning. Therefore suitable models, which describe the process behaviour on a physical basis, have been selected from an existing model library and adapted to the special requirements of the process example. Special attention has been paid on keeping the influence of the system, the process, and the equipment separate to allow for a reliable transfer from laboratory to industrial scale. Research on the individual process steps include the adaptation of existing models, the determination of suitable model parameters and the validation of the simulation tool on the basis of experimental data from literature. The final analysis, design and optimisation of the integrated process are based on a decoupling of the different steps by using the purity in the recycled retentate stream as a key value. This allows for a separate analysis of the different steps without neglecting the influence of their mutual interdependency on the process behaviour. The definition of additional boundary conditions and the consideration of operating costs lead to a selection of the best membrane material as well as to the optimum purity in the recycle stream. The proposed procedure offers the possibility to describe the process behaviour of membrane assisted reactive distillation processes in a reliable way and thus to assess their potential for process intensification. Transferring the strategy to different hybrid process can further