Demonstration und Evaluation der kontinuierlichen und heterogenkatalysierten Synthese von Oxymethylendimethylethern (OME) aus Dimethylether und Trioxan

Oxymethylendimethylether (OME) sind vielversprechende Dieselkraftstoffe mit der Molekularstruktur CH3-O-(CH2O)n-CH3 (OME n). Sie können aus erneuerbaren Resourcen hergestellt werden und stellen aufgrund ihrer rußfreien Verbrennung, eine saubere und nachhaltige Möbilitätslösung, basierend auf syntetischen Kraftstoffen, dar.
In dieser Arbeit wird ein Reaktorsystem für die kontinuierliche Synthese von OME aus Dimethylether (DME) und Trioxan (TRI) entwickelt. Hierzu wurde eine Laboranlage geplant, aufgebaut und in Betrieb genommen. Basierend auf Screening-Experimenten wurden ein geeignetes Lösungsmittel und ein hochaktiver Katalysator ausgewählt. ... mehrWährend der folgenden Demonstration der kontinuierlichen OME-Synthese konnten fundamentale Erkentnisse bezüglich des Reaktionssystems erlangt werden. Temperaturen von 361 bis 393 K und erhöhte Drücke (60-65 bar) sind demnach geeignete Reaktionsbedingungen. Innerhalb dieses Reaktionsfensters führten niedrige Temperaturen und kurze Verweilzeiten zu Produktmischungen mit den bevorzugten Produktspezies OME 3-5. Die ablaufenden Reaktionen wurden identifiziert und in ein Reaktionsschema aufgenommen. Weiterhin konnte eine erste kinetische Beschreibung erarbeitet werden. Dies wurde durch die kinetische Untersuchung eines Modellsystems ermöglicht. Die gewählte Modellreaktion war die Transacetalisierung von Dibutoxymethan und und Dipropoxymethan. Eine kinetische Studie dieser Reaktion wurde mit Verweilzeitverteilungen des Reaktorsystems kombiniert. Dieses Vorgehen ermöglichte die Bestimmung von katalytischen Wirkungsgraden. Nachfolgend wurden diese Wirkungsgrade verwendet, um, trotz einer bestehenden Stofftransportlimitierung des Reaktorsystems, eine kinetische Beschreibung der OME-Synthese vorzunehmen.
Neben der experimentellen Demonstration erfolgte eine ökonomische Evaluation des neuen Reaktorsystems. Dafür wurde eine Bewertungstechnik für neuartige Reaktionskonzepte entwickelt. Diese „ökonomische Potenzialanalyse“ ist eine Szenariotechnik und kann zur frühzeitigen Bewertung von vielversprechenden chemischen Produktionsstrategien eingesetzt werden. Experimentelle Daten der
OME-Synthese wurden verwendet, um ein konzeptionelles Prozessschema zu generieren. Dieses Konzept wurde dann gemeinsam mit bereits publizierten Prozessen aus der Literatur durch die ökonomische Potenzialanalyse bewertet. Anschließend wurden Optimierungsstrategien für den entwickelten Prozess untersucht und führten zu geeigneten Maßnahmen für das neue Reaktorsystem.

Oxymethylene dimethyl ethers (OMEs) are promising Diesel fuels with the molecular structure CH3-O-(CH2O)n-CH3 (OME n). They can be produced from renewable resources, and due to their soot-free combustion, they provide a clean and sustainable mobility solution based on synthetic fuels.
This work develops a reactor system for a continuously operating OME synthesis from dimethyl ether (DME) and trioxane (TRI). Therefore, a laboratory plant has been planned, built up, and commissioned. Based on screening experiments, a suitable solvent and a highly active catalyst have been chosen. ... mehrDuring the following demonstration of a continuously operating OME synthesis, fundamental insights into the reaction system have been gained. Temperatures between 361 and 393 K and elevated pressures (60-65 bar) are suitable reaction conditions. Within this reaction window, low temperatures and comparatively short residence times led to product mixtures with the desired product species OME 3-5. Occurring reactions have been identified and included in a proposed reaction scheme. Furthermore, an initial kinetic description has been elaborated. This achievement has been enabled by studying the reaction kinetics of a model system. The chosen model reaction was the transacetalization of dibutoxy methane and dipropoxy methane. A kinetic study of this model system has been combined with the residence time distribution of the reactor system. This procedure enabled the determination of effectiveness factors. Subsequently, these factors have been used for the kinetic description of the OME synthesis, despite occurring mass transport limitations in the reactor system.
Besides the experimental demonstration, an economic evaluation of the new reactor system has been carried out. Therefore, an assessment technique for new reaction concepts has been developed. This “economic potential analysis” is a scenario approach and can be employed for early-stage assessments of promising chemical production strategies. Experimental data of the OME synthesis have been used to generate a conceptual process scheme. This concept and already published processes from the literature have been assessed and compared by the economic potential analysis. Afterward, optimization strategies for the developed process have been investigated and led to suitable suggestions for the new reactor system.