Verfahrenstechnische Projektierung einer kontinuierlich betriebenen Miniplant am Beispiel der homogenkatalysierten CO2-Hydrierung

Beschreibung

In den letzten Jahren hat die chemische Nutzung von Kohlendioxid als alternativer C1‑Synthesebaustein zunehmend an Bedeutung gewonnen. Die Gründe hierfür sind die begrenzt vorhandenen fossilen Rohstoffe sowie der stetige Anstieg des Kohlendioxids aus anthropogenen Quellen in der Atmosphäre. Besonders die homogenkatalysierte Hydrierung von Kohlendioxid zu Ameisensäure bzw. ihren Derivaten wird in diesem Zusammenhang eingehend untersucht, da diese Syntheseroute eine innovative Alternative zur bisherigen Produktion auf Basis von Kohlenmonoxid darstellt. Bevor jedoch eine großtechnische Produktionsaufnahme von neuen chemischen Syntheserouten erfolgen kann, ist eine Verfahrensentwicklung in einer scale-up-fähigen Zwischengröße unabdingbar. Aufgrund der deutlichen Vorteile, wie beispielsweise Kosten und Planungszeit, werden hierfür bevorzugt Miniplants eingesetzt. In Vorversuchen im Labormaßstab wurde mit dem Katalysator [Cp*Ir(DHphen)Cl]Cl im Katalysatorscreening eine Turn over Number (TON) von 23.569 erzielt. Essentiell für die Entwicklung eines sowohl ökologischen als auch ökonomischen Verfahrens ist das Recycling des eingesetzten homogenen Edelmetallkatalysators. In Bezug auf die untersuchten Katalysatoren auf Basis von Rhodium, Ruthenium und Iridium wurden verschiedene Recyclingkonzepte für die Hydrierung von Kohlendioxid evaluiert. Als aussichtsreich stellte sich mit dem Katalysator Ru(acac)3 die Flüssig-Flüssig-Zweiphasentechnik mit Wasser und einem deutlichen Überschuss an Triethylamin heraus. Darüber hinaus wurde erstmalig mit einem ligandenfreien Katalysatorsystem eine TON von 494 erzielt. Basierend auf den erzielten Ergebnissen im Labormaßstab wurde eine kontinuierlich betriebene Miniplant verfahrenstechnisch projektiert und aufgebaut. Für die kontinuierlichen Versuche wird Ru(acac)3 im System mit Wasser und Triethylamin eingesetzt. Im Rahmen der ersten Untersuchungen konnte festgestellt werden, dass die Rückführung selbstregelnd und diskontinuierlich erfolgt. Durch Modifikation des Verfahrens konnte eine kontinuierliche Rückführung mit definierter Verweilzeit erzielt werden. Die Miniplant konnte über 30 Stunden betrieben werden, wobei eine TONges von 160 erreicht wurde. Das Ruthenium-Leaching fällt im Gegensatz zum Labormaßstab mit 8 bis zu 21 ppm deutlich geringer aus.

Autor*in

Kristina Nowakowski

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