Projektierungskurs

Technische Fakultät

Projektierungskurs
WS 2015/16

29. März ¨C 15. April 2016

 

Recycling routes for Triphenylphosphine (TPP)

 

Partnerunternehmen:
Koninklijke DSM N.V.

Leitung:
Dr. Marco Haumann


2016

Gruppen

 

Gruppe 1 (CRT1): Phosgenherstellung und Phosgenierung

Gruppe 1: Jose Manuel Ramos, Hoonhee Cho, Kyun Ho Han, Patrick Sch¨¹hle, Birgit Schotterer, Betreuer(in): Corinna Busse M.Sc.

 

Um Triphenylphosphinoxid (TPPO) recyceln zu können, wird zunächst Dichlorotriphenylphosphoran (DCP) in einer katalysatorfreien, exothermen Reaktion produziert (¦¤H=-67 KJ/mol).

 

 

 

 

 

 

 

 


Um einen möglichst hohen Phasen¨¹bergang zwischen dem gasförmigen Phosgen und dem geschmolzenen TPPO zu erhalten, wird die Reaktion in einem Rieselbettreaktor bei 215¡ãC und 5 bar durchgef¨¹hrt. Der Reaktor ist mit F¨¹llkörpern („Pall-rings¡°) gef¨¹llt, um eine möglichst hohe Phasengrenzfläche zur Verf¨¹gung zu stellen. Die einzelnen Edukte fließen im Gegenstrom durch den Reaktor. Die Ausbeute des Prozesses beträgt 97%, was in einem sehr phosgenarmen Abgasstrom resultiert.

 

Da Phosgen sehr toxisch ist, sollte die Lagerung von Phosgen vermieden werden, indem es kontinuierlich produziert und verbraucht wird. Um dies zu erreichen, wird Phosgen aus Chlor und Kohlenstoffmonoxid vor der Phosgenierung produziert. Die Umsetzung wird durch Aktivkohle katalysiert

 

 

 

 

 

 

 


In einer Reihenschaltung von 2 Röhrenreaktoren wird Chlor komplett umgesetzt, durch den Zusatz von Kohlenstoffmonoxid im Überschuss (5 mol-%). Der erste Reaktor wird bei 300¡ãC und 5 bar betrieben, um eine hohe Reaktionsrate zu erreichen. Der zweite Reaktor wird bei 100¡ãC und 5 bar betrieben, um das Gleichgewicht auf die Produktseite der exothermen Reaktion zu verlagern.

 

Gruppe 2 (CRT2): Hydrierung Fl¨¹ssigphase

Su Zhang, Simon Herlitze, Anja Goblirsch, Johannes Willnauer, Fabian Popp, Betreuer(in): Rachid Benker M.Sc.

 

Die Aufgabe von Gruppe 2 ist die Entwicklung eines geeigneten Prozesses f¨¹r die Regenerierung von Triphenylphosphin (TPP) durch die Hydrierung von Dichlorotriphenylphosphoran (DCP). Die Reaktion findet in einem Rieselbettreaktor bei 180 ¡ãC statt. DCP fließt als Schmelze von oben durch den Reaktor während Wasserstoff (H2) im Gegenstrom mit einem Partialdruck von 100 bar eingeleitet wird. Am Boden des Reaktors sammelt sich eine TPP-reiche Produktphase, welche abgezogen und weiter aufgereinigt wird, während das Abgas, bestehend aus H2 und Wasserstoffchlorid (HCl), oben abgelassen wird. Da es sich bei der Reaktion um eine exotherme Reaktion handelt, muss der Reaktor mit Hilfe von H2 gek¨¹hlt werden.

 

Gruppe 3 (CRT3): Festbettreaktor

Meeson Lee, Nadine Salzmann, Christoph N¨¹boldt, Jessica W¨¹nsch, Timo R¨¹de, Betreuer(in): Dipl.-Ing. Alexander Seidel

Gruppe 3 am Lehrstuhl f¨¹r Chemische Reaktionstechnik ist f¨¹r die Entwicklung eines Festbettreaktors zur direkten katalytischen Reduktion von Triphenylphosphanoxid (TPPO) zu Triphenylphosphan (TPP). Dies findet zyklisch-versetzt in zwei gleich aufgebauten Rohrb¨¹ndelreaktoren statt mit je einem Bi2O3-Pellet Katalysatorfestbett im Inneren. Der Reaktor im Reduktionszyklus wird von TPPO mit Toluol als Lösungsmittel durchströmt. Zeitgleich wird der Katalysator im anderen Reaktor regeneriert. F¨¹r die Reduktion des TPPO zu TPP wird Bi2O3 verwendet und Toluol als Lösungsmittel. Zur Reduktion ist die stöchiometrische Menge Wasserstoff nötig das oxidiert zu Wasser als einziges Abfallprodukt anfällt.

 

Aufbauend auf einem Patent, den Stoffdaten und grundlegenden Annahmen wurde der Reaktor und der Gesamtprozess entwickelt. Sowohl die Reaktion als auch die Regeneration finden in der Gasphase bei einer Temperatur von 500¡ãC statt. Der Umsatz der Reaktion in Gegenwart des Katalysators bei 2 s Verweilzeit bezogen auf TPPO beträgt 72 %. Berechnungen wurden angestellt um Daten wie Massenströme, Enthalpieänderungen und den Druckverlust durch die Katalysatorsch¨¹ttung zu ermitteln. Literaturrecherchen und wohl¨¹berlegte Folgerungen f¨¹hrten zu einem detaillierten Reaktordesign und den f¨¹r den Prozess nötigen Apparaten. Um den Prozess in ein Gesamtkonzept zu integrieren haben wir eng mit Gruppe 6 (Aufreinigung) und Gruppe 7 (Wärmeintegration) zusammengearbeitet. Unser Konzept ist außerdem mit Gruppe 4 (direkte Reduktion in einem Fließbett-Reaktor) abgestimmt, um vergleichbare Ergebnisse zu erzielen.

 

Gruppe 4 (LFG): Riser-Regenator Reaktor

Eunyul Choi, Franziska Enzmann, Kilian Dirnberger, Lea Strunz, Betreuer(in): Sebastian S¨¹ß M.Sc.

 

Ziel von Gruppe 4 ist die Auslegung eines Riser-Regenerator-Reaktors. Angestrebt wird eine einstufige katalytische Reduktion von TPPO zu TPP. Der auszulegende Reaktor wird in drei Teile aufgeteilt, Riser, Downer und Regenerator. Der Riser stellt den eigentlichen Reaktionsraum dar. Diesem wird sowohl eine Katalysatormischung (TiO2 und Bi2O3) als auch eine gasförmige Eduktmischung zugef¨¹hrt. Letztere setzt sich aus 6% TPPO und 94% Toluol zusammen. Um den Katalysator vom gebildeten Produkt abzutrennen wird dem Riser ein Zyklon nachgeschalten. Das Hauptaugenmerk hierbei ist eine kontinuierliche Betriebsf¨¹hrung. Dies hat zu Folge, dass der Katalysator während des Prozesses sowohl oxidiert als auch durch eine Reduktion regeneriert wird.

 

Gruppe 5 (TVT1): Aufreinigung Phosgenroute

Zhenguo Zhang, Heike Pickel, Peter Noll, Andreas Zimmermann, Betreuer(in): Dr.-Ing. Martin Drescher und Detlef Freitag M.Sc.

 

Durch Umsetzung von TPPO mit Phosgen und anschließende Hydrierung wird TPP hergestellt. Das Ziel dieser Gruppe ist es, die höchste Reinheit von TPP nach der Hydrierung zu erreichen. Dar¨¹ber hinaus sollten geeignete Trennverfahren und Berechnungen der Abmessungen der Appatature gewählt werden.

Nach den Schritten Phosgenierung und Hydrierung werden die gasförmigen Bestandteile aus der Schmelze entfernt. Mit Hilfe eines Rotationszerstäubers werden die gasförmigen Anteile (CO2, COCl2 / HCl, H2) von der Schmelze abgetrennt und anschließend mittels Vakuumpumpe von der Schmelze separiert. Um das erstarren der Schmelze zu verhindern wird der Zerstäuber beheizt. Die fl¨¹ssige Phase enthält das Produkt TPP, sowie die Nebenprodukte DCP, TPPO, welche durch Rektifikation getrennt werden. Das Sumpfprodukt wird recycelt und zu der Hydrierung gef¨¹hrt. Um einer Anreicherung von TPPO im Reaktor entgegenzuwirken wird ein Purgegasstrom aus dem Recycelgasstrom entfernt. F¨¹r das Produkt TPP wird eine Reinheit und ein Gehalt von ¡Ý 99,0 % gefordert.

Es ist wichtig f¨¹r eine erfolgreiche Projektierung des Gesamtprozesses, dass wir Informationen mit anderen Gruppen austauschen.

 

Gruppe 6 (TVT2): Aufreinigung Reduktionsroute

Changwoo Kim, Bernd Schopf, Fabio Hopf, Arne Stumpf, Betreuer(in): Dr.-Ing. Martin Drescher und Detlef Freitag M.Sc.

 

Durch die katalytische Reduktion wird Triphenylphosphanoxid (TPPO) zu Triphenylphosphan (TPP) umgesetzt. Ziel der Arbeit der Gruppe 6 am Lehrstuhl f¨¹r Thermische Verfahrenstechnik (TVT) ist es, das TPP von nicht umgesetztem Edukt und entstehenden Nebenprodukten zu trennen. Außerdem soll das Produkt auf die gew¨¹nschte Reinheit gebracht werden. Dazu werden geeignete Trennverfahren betrachtet und entsprechende Apparate ausgelegt. Bei den Trennoperationen ist auf Stoff- und Energieeffizienz zu achten.

 

F¨¹r die katalytische Reduktion wurden zwei Reaktoren ausgelegt, ein Festbettreaktor und ein Riser-Regenerator Reaktor. Beide Reaktoren liefern ein 500 ¡ãC heißes Gasgemisch. Nach der Abk¨¹hlung auf 200 ¡ãC liegen TPP und TPPO fl¨¹ssig vor. Der nachgeschaltete Flash separiert die Fl¨¹ssig- von der Gasphase. Das restliche Gas besteht aus Toluol und einem Restanteil an TPP/TPPO

 

Die große Menge an Lösungsmittel muss gereinigt werden und wird anschließend in den Reaktor zur¨¹ckgef¨¹hrt.

 

Das fl¨¹ssige TPP und TPPO Gemisch wird mittels Rektifikation aufgetrennt. Aus wirtschaftlichen Gr¨¹nden soll das nicht reagierte TPPO ebenfalls zur¨¹ckgef¨¹hrt werden. Um auf die gew¨¹nschte Reinheit zu kommen werden mehrere Trennstufen eingef¨¹hrt.

 

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