Prozessintensivierung

Transkript

1 13. Symposium Energieinnovation Prozessintensivierung zur Steigerung von Effektivität und Effizienz S. Lux, D. Painer, N. Schwaiger, M. Siebenhofer 1

2 Biobasierte Zukunft z.b. Holzaufschluss Steam Explosion (Bio)chemische Prozesse Biobased Products Fokus: (Möglichst) vollständige Verwertung von Biomasse => Rest- und Abfallströme 2

3 Motivation Bioraffinerie Wettbewerbsfähigkeit Biobased Products Auftrennung/ Stoffliche Verwertung von Restströmen Wertvolle Bulkchemikalien Komplexe Multikomponentengemische Geringe Konzentrationen Thermodynamische Limitierungen => Azeotrope 3

4 Herausforderung Auftrennung azeotroper Multikomponentengemische - aufwendig - destillative Trennung NICHT möglich 4

5 Herausforderung Auftrennung azeotroper Multikomponentengemische Building Blocks der Prozessintensivierung (PI) Destillation Chemische Reaktionen Membranprozesse 5

6 Herausforderung Auftrennung azeotroper Multikomponentengemische Building Blocks der Prozessintensivierung (PI) Destillation Chemische Reaktion Reaktive Trennverfahren Membranprozesse Alternative Trennverfahren 6

7 Reaktive Trennverfahren Reaktivdestillation 7

8 Ternäres System Essigsäure Ameisensäure Wasser Binäres Azeotrop 106,1 C Ternäres Sattelazeotrop 105,6 C 8

9 Strategie Veränderung von Substanzeigenschaften durch chemische Reaktion z.b. Veresterung von Fettsäuren mit Alkohol (Methanol) => Überführung in tiefsiedende Ester Veresterung von Ameisensäure zu Methylformiat CHOOH + CH 3 OH CHOOCH 3 + H 2 O Veresterung von Essigsäure zu Methylacetat CH 3 COOH + CH 3 OH CH 3 COOCH 3 + H 2 O Simultane Durchführung von Veresterung und Destillation => Reaktivdestillation 9

10 Rektifikationskolonnen Batch-Rektifikation im Labormaßstab Validierung mit kontinuierlicher Rektifikationskolonne 10

11 Batch Reaktivrektifikation Ø Grenzdestillationslinien werden überwunden Ø Auftrennung möglich Ø Potenzial zur Energieeinsparung (Synergieeffekte) Molares Verhältnis Methanol : Ameisensäure = 2 : 1 11

12 Prozesskonzept Reaktivrektifikation Methylformiat Methylacetat Methanol Methanol Pervaporation Methylformiat Methylacetat Methylformiat Destillation Methanol Ameisensäure Essigsäure Wasser Essigsäure Wasser Methylacetat 12

13 Alternative Trennverfahren Pervaporation 13

14 Pervaporation Trennprinzip: Lösungs-Diffusions-Verhalten VLE: MeOAc - H 2 O y MeOAc / mol mol VLE: MeOAc - MeOH x MeOAc / mol mol -1 Nicht limitiert durch VLE Niedrige Betriebstemperatur Partielle Verdampfung => Reduktion der Energiekosten 14

15 Prozessintensivierung zur Steigerung von Effektivität und Effizienz Pervaporationsanlage Membranfläche: 27.5 cm2 Retentat Hydrophile PVA-Membranen permeabel für polare Komponenten z.b. Wasser, Methanol 15 Feed

16 Binäres System Methanol Methylacetat Anwendung Synthese von Methylacetat w MeOH,permeate / kg kg PERVAP TM PERVAP TM PERVAP TM VLE w MeOH,feed / kg kg -1 Bottleneck MeOH-MeOAc Azeotrop Ø Überwindung des azeotropes mit hydrophilen PVA- Membranen T = 50 C, p Permeat = 150 mbar, V feed = 15 ml. min -1 16

17 0,5 Prozessintensivierung zur Steigerung von Effektivität und Effizienz Ternäres System Methanol Methylacetat Methylformiat Mole fraction PERMEATE [-] 0,4 0,3 0,2 0,1 Methanol MeOAc MeFo 0,0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Mole fraction FEED [-] Ø Aufkonzentrierung der Ester im Retentat Methanol Methyl Formate Methyl Acetate 17

18 Membranbasierter Prozess MeOAc/MeOH Synthese von Methylacetat W3 V1 MeOAc/MeOH/H 2 O P3 PV1 PV2 PVn Abluft C1 A1 P5 W6 P6 P4 W5 W2 K1 MeOAc/MeOH/HOAc W1 P2 MeOH MeOAc W4 W7 P7 W8 H 2 O P1 HOAc PERVAP TM : 10 Module á 40 m 2 PERVAP TM : 18 Module á 50 m 2 18

19 Fazit Reaktive Trennverfahren (in Kombination mit alternativen Trennverfahren) => prozessintensivierende Technologien Energieeinsparungen Wichtige Werkzeuge zur Realisierung von Effektivität und Effizienz Tragende Rolle in biobasierten Prozessen 19

20 13. Symposium Energieinnovation Prozessintensivierung zur Steigerung von Effektivität und Effizienz S. Lux, D. Painer, N. Schwaiger, M. Siebenhofer 20