Projektbeschreibung

Zielsetzung der Arbeitspakete des IMVT war es einen Mikroreaktor zu bauen, in welchem einen 3-Phasen-Hydrierung von Nitrobenzol bei Drücken von bis zu 80 bar und Temperaturen von bis zu 300°C durchgeführt werden kann. Das Bestreben war es dabei die Mikroreaktionstechnologie zu benutzen, um eine höhere Wärmenutzung der Reaktion durch verbesserten Stoff- und Wärmetransporteigenschaften zu erzielen. Diese Eigenschaften ermöglichen eine isotherme Betriebsweise der stark exothermen Nitrobenzol-Hydrierung in unverdünntem Zustand bei erhöhtem Temperatur- und Druckniveau. Diese Umstände erforderten darüber hinaus Löslichkeitsmessungen von Wasserstoff in Anilin, Nitrobenzol und Wasser und deren Mischungen bei Temperaturen von über 200°C um Daten zur Modellierung zu erhalten.

Reaktor zur Hydrierung von Nitrobenzol bei 300°C und 80 bar

Die Messungen der Löslichkeit von Wasserstoff in Nitrobenzol/Anilin-Mischungen zeigten, dass diese in Nitrobenzol/Anilin-Mischungen mit fallender Temperatur im Bereich von 30°C – 210°C bei einem Druck zwischen 20 und 30 bar ansteigen. Auf Grundlage dieser Versuchsergebnisse konnte eine temperaturabhängige Henry-Kontante für reines Nitrobenzol und Anilin experimentell ermittelt werden und entsprechende Korrelationen für die Mischungen aufgestellt werden.

Die Projektergebnisse eröffnen Einblicke in mögliche Reaktorentwürfe inklusive Vorstudien in einem Rührkesselreaktor mit Gaseintrag zur Untersuchung des Stoffübergangs von Gas zu Flüssigkeit und weiter zum Feststoff. Ein Reaktorentwurf mit beschichteten Kanälen wurde unter Annahme einer Ringströmung modelliert, welche einen großen Einfluss der Filmdicke auf den Stofftransport im Flüssigkeitsfilm zeigte. Wegen der niedrigen Verweilzeit und geringen Umsätze in der Ringströmung wurde zu deren Erhöhung ein Art Rieselbett-Reaktor entwickelt. Somit konnte das Katalysatorvolumen erhöht werden, wobei besonderen Anforderungen an Katalysatorbeweglichkeit und Druckverlust bestanden. Schließlich wurde gezeigt, dass Umsätze von bis zu 88% bei 260°C und 10 bar bei isothermen Bedingungen und einer Dosierung von reinem Nitrobenzol von 7.1 g·gcat-1·h-1 erzielbar sind. Bei 200°C und einem Druck von 40 bar und geringem Wasserstoff-Überschuss konnte eine Anilin-Selektivität von nahezu 100% erreicht werden.

Veröffentlichungen:

[1] A. K. Mogalicherla, S. Lee, P. Pfeifer, R. Dittmeyer, Drop-on-demand inkjet printing of alumina nanoparticles in rectangular microchannels. Microfluidics and Nanofluidics, 16(2014) pp.655-666

[2] O. Görke, M. Cholewa, D. Semu, M. Kraut, P. Pfeifer, Three-Phase hydrogenation of nitrobenzene in microstructured reactor, submitted in Chem. Eng. Sci. (2018)

[3] O. Görke, M. Kraut, P. Sobieszuk, A. Srebniak, Measurements of hydrogen solubility in nitrobenzene/aniline mixtures, 22nd Polish Conference of Chemical and Process Engineering, 5.–9. 9. 2016, Spała, Poland.

[4] A. Srebniak, M. Kraut ; O. Görke; Sobieszuk, P.Measurements of hydrogen solubility in nitrobenzene/aniline mixtures, Chemical and process engineering 2017, 38 (2), 241-248