Herstellung von geträgerten, temperaturstabilisierten Ionenaustauschern und reaktionstechnischer Vergleich mit einem kommerziellen Katalysator zur Herstellung von 2-Butanol als Auslegungsgrundlage für technische Anlagen

In dieser Arbeit werden zunächst die Stofftransportprobleme geschildert, die die Anordnung eines sauren Ionenaustauschers als Festbett bei der Hydratisierung von Buten im Rahmen einer heterogen katalysierten Reaktivextraktion mit sich bringen. Darauf aufbauend werden zwei neuartige Prozesse vorgestellt und miteinander verglichen. Bei einem wird der vorhandene Katalysator in strukturierten Packungen gefüllt, wie sie bei der Reaktivdestillation eingesetzt werden. Das zweite Konzept sieht den Einsatz eines neuartigen temperaturstabilisierten Ionenaustauschers vor. Hierfür wird eine Methode zur Herstellung (weiter-)entwickelt. Um die Katalysatoren miteinander vergleichen zu können, werden die Ionenaustauscher umfangreich charakterisiert, wobei sich zeigt, dass die geträgerten Ionenaustauscher gegenüber dem bisherigen Ionenaustauscher über Megaporen statt Mesoporen verfügen. Ein weiterer großer Vorteil, den geträgerte Ionenaustauscher besitzen, ist, dass sie statt wie bisher über eine Chlorierung auch über eine Sulfonylierung temperaturstabilisiert werden können. Diese ist deutlich effektiver und lässt höhere Standzeiten zu. Um den Effekt der Standzeitverlängerung je nach Temperaturstabilisierungsmethode quantifizieren zu können, werden umfangreiche Desulfonierungsversuche durchgeführt und eine Kinetik abgeleitet. Hierzu wird ein Modell aus der Literatur für nicht-temperaturstabilisierte Ionenaustauscher erweitert. Hiernach gibt es drei unterschiedliche Gruppen von Sulfonsäuren, die unterschiedlich schnell desulfonieren. Die Untersuchungen zeigen, dass die Desulfonierung bei sulfonylierten Ionenaustauschern deutlich langsamer gegenüber chlorierten ist. Bei reaktionstechnischen Versuchen im halbtechnischen Maßstab wird das Reaktionskonzept mit den strukturierten Packungen getestet und Versuche zur Betriebsoptimierungen durchgeführt. Diese Anordnung eines perlförmigen Ionenaustauschers bewirkt – bedingt durch die bessere Verteilung der Edukte und bessere Ausnutzung des Katalysators – eine gut 10 %-ige Erhöhung der Produktionsmenge verglichen mit dem Festbett, bei sonst gleichen Betriebsbedingungen. Gleichzeitig liegt der Katalysatorwirkungsgrad aber nach einer in dieser Arbeit neu angepassten Mikrokinetik bei 0,6. Dies lässt erwarten, dass der neuartige geträgerte Ionenaustauscher durch verbesserten Stofftransport eine Erhöhung des Katalysatorwirkungsgrads ermöglicht, wobei abgeschätzt wird, inwieweit die geringere Anzahl an aktiven Zentren, die sich beim neuartigen geträgerten Ionenaustauscher nicht verhindern lässt, durch den verbesserten Stofftransport kompensiert werden kann. Der in den halbtechnischen Versuchen derzeitig verwendete industrielle Katalysator wird nach der Versuchsreihe analysiert, wobei sich zeigt, dass sich die im Labor entwickelte Kinetik der Desulfonierung trotz stark schwankender Bedingungen im industriellen Einsatz sehr gut zur Beschreibung eignet. Die Untersuchung zeigt aber auch, dass die höhere Wasserbelastung, die bei den neuen Reaktionskonzepten nötig ist, zu einer erhöhten Vergiftung führt. Dies wirkt sich insbesondere auf den neuartigen Träger-Ionenaustauscher aus, der empfindlicher gegenüber Vergiftung ist als der bisherige Katalysator.