Synthese von 1,3-Butadien aus Ethanol im ohmschen Reaktor

Im Rahmen des Fraunhofer-Leitprojektes »ShaPID« bündeln die drei Institute Fraunhofer ISC, ITWM und UMSICHT ihre Kompetenzen, um neue energie- und ressourcenschonende Synthesewege für chemische Grundbausteine am Beispiel der Synthese von 1,3-Butadien aus Ethanol zu demonstrieren. Kernelemente der Forschung: die Entwicklung und der Bau eines neuartigen Festbettreaktors mit direkter elektrischer Widerstandbeheizung (UMSICHT) sowie die Entwicklung funktionalisierter elektrisch leitfähiger Katalysatorformkörper (ISC und UMSICHT). Unterstützt wird der Entwicklungsprozess durch eine begleitende mathematische Reaktormodellierung und -simulation (ITWM). Die realisierbaren Ressourcen- und Energieeinsparungen werden nach erfolgreicher Demonstration des Syntheseprozesses quantifiziert.

Die Chemieindustrie gehört mit einem Anteil von 33 Prozent am Primärenergieverbrauch im verarbeitenden Gewerbe zu den energieintensiven Branchen und steht vor großen Herausforderungen, um ihren Beitrag zur Erreichung der Klimaschutzziele zu leisten. Nur durch einen umfassenden Transformationsprozess können herausfordernde Zielsetzungen wie die Defossilisierung der Produktionsprozesse und die Erreichung von Treibhausgasneutralität erreicht werden. Dies erfordert speziell auch die Entwicklung alternativer Syntheserouten von Basischemikalien.

Direkte widerstandsbeheizte, sogenannte ohmsche Reaktoren, können mit hoher Energieeffizienz zu 100 Prozent mit Strom aus regenerativen Energien betrieben werden. Zusätzlich zu den geringeren Wärmeverlusten bieten sie weitere Vorteile wie die größere Flexibilität und eine bessere Regelbarkeit der Reaktionsbedingungen. Wenn – wie im vorliegenden Beispiel der Einsatz einer biogenen Rohstoffbasis in Form von Bioethanol möglich ist – kann auf die Nutzung fossiler Ressourcen komplett verzichtet werden. Ohmsche Reaktoren stellen somit eine aussichtsreiche Reaktortechnologie dar, um den notwendigen Transformationsprozess in der chemischen Industrie zu unterstützen. Ziel der Arbeiten ist es, die Synthese von Basischemikalien am Beispiel der 1,3-Butadiensynthese aus Ethanol im ohmschen Reaktor zu demonstrieren und zu bilanzieren.

Zur Realisierung der direkten elektrischen Widerstandbeheizung werden elektrisch leitfähige Katalysatoren eingesetzt. Diese lassen sich z.B. unter Zugabe elektrisch leitfähiger Partikel zur Extrusionsmasse als keramische Vollkatalysatoren in unterschiedlichen Formen (z.B. Pellets, Wabenkörper) extrudieren. Alternativ kann die katalytisch aktive Komponente auch auf elektrisch leitfähige Formkörper (z.B. hochporöse SiC-Schäume) appliziert werden. Beide Methoden konnten für die Modellreaktion der Synthese von 1,3-Butadien aus Ethanol erfolgreich umgesetzt werden.

Für die Durchführung der Synthese werden spezielle Reaktoren eingesetzt, die an die unterschiedlichen Anwendungsfälle individuell angepasst werden können. Neben der Variation der üblichen Prozessparameter wie Druck und Temperatur stellt die Spannungsversorgung der leitfähigen Materialien eine spezielle Herausforderung dar. In den aktuellen Versuchen werden unterschiedliche Aufbauten und Designs im Hinblick auf ihre Eignung für eine anschließende industrielle Umsetzung untersucht. Für diese Untersuchungen werden direkt die Katalysatorträger in verschiedenen Formen eingesetzt, um die Eigenschaften von Reaktordesign, Katalysatorträger und auch deren Wechselwirkungen in einem frühen Stadium der Entwicklung ermitteln zu können.

Die Mikrostruktur des Reaktors (Schüttung aus Pellets, Schäume, …) wird virtuell nachgebildet und so für Simulations- und Optimierungsrechnungen nutzbar.

Darauf aufbauend können verschiedene Aspekte der Vorgänge im ohmschen Reaktor nachgebildet, untersucht und optimiert werden. So kann zunächst die elektrische Widerstandsbeheizung auf Basis der angelegten Spannung untersucht werden. Damit wird schon eine erste Abschätzung gegeben, welche Energie für eine geeignete Beheizung benötigt wird. Mittels einer kinetischen Beschreibung der ablaufenden Reaktionen wird die Synthese von 1,3-Butadien aus Ethanol vorab berechnet. Dazu wird zunächst eine Strömungssimulation durchgeführt um den konvektiven und diffusiven Transport durch den Reaktor zu bestimmen. Die Gesamtreaktion ist endotherm, weswegen die Beheizung notwendig ist. Die finale Temperaturverteilung hängt somit sowohl von der Beheizung, der Reaktionswärme, als auch vom konvektiven Stofftransport ab. Aus den Ergebnissen der Simulation können Umsatz, Selektivität und Ausbeute berechnet werden. Die Simulationsstudien unterstützen somit im Voraus die Reaktorentwicklung in Bezug auf die Auswahl geeigneter Geometrieanpassungen oder Prozessbedingungen zur schnellen Erzielung hoher Durchsatzraten.

• Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC
• Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM