Maleinsäureanhydridsynthese im millistrukturierten Festbettreaktor

Die Synthese von Maleinsäureanhydrid (MSA) stellt mit einer Jahresproduktion von ca. 2,8 Mio. Tonnen einen wichtigen großtechnischen Prozess dar. Hergestellt wird MSA durch die selektive katalytische Oxidation von n-Butan mit Luft in Gegenwart von Vanadium-Phosphor-Oxid (VPO) Katalysatoren bei Temperaturen zwischen 390 und 420°C. Durch die freigesetzte Reaktionswärme kommt es in den industriell weit verbreiteten salzbadgekühlten Rohrbündelreaktoren zur Ausbildung ausgeprägter Hotspots und damit verbundenen Gefahren hinsichtlich Stabilität und Sicherheit des Prozesses. Verstärkt wird dieser Effekt durch die Phosphordynamik des Katalysators, die zu einem allmählichen Anstieg der Aktivität des Katalysators bei gleichzeitiger Verringerung von Selektivität und Ausbeute führt. Eine exakte Kontrolle des Reaktionsgeschehens ist daher für einen wirtschaftlichen und sicheren Betrieb des Reaktors unerlässlich.

Ziel aktueller Forschungsarbeiten ist eine mathematische Beschreibung des Prozesses, auch die Phosphordynamik umfassend, um so eine modellgestützte Optimierung des Prozesses zu ermöglichen. Dies setzt sowohl eine präzise Reaktionskinetik voraus, anhand derer die Umsetzung von n-Butan zum Ziel- und zu den diversen Nebenprodukten beschrieben werden kann, als auch eine separate Kinetik zur Beschreibung der Aktivitätsänderung des VPO-Katalysators.

Für die Untersuchung der Phosphordynamik sollen systematische Versuche unter Variation der Reaktionsbedingungen, wie z. B. Temperatur, Wassergehalt der zugeführten Gasmischung oder Zudosierung phosphorhaltiger Spezies durchgeführt werden. Außerdem ist geplant kürzlich veröffentlichte Reaktionskinetiken experimentell zu überprüfen. Hierfür ist z. B. die gezielte Zugabe von Katalysatorgiften denkbar. In diesem Zuge müssen entsprechende Zugabeverfahren entwickelt und umgesetzt werden.

Für alle diese Experimente wird ein eigens am ICVT entwickelter, salzbadtemperierter millistrukturierter Festbettreaktor verwendet. Er bietet aufgrund seines nahezu isothermen Verhaltens ideale Bedingungen zur kinetischen Untersuchung stark exothermer Reaktionen.