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Ziel der vorliegenden Arbeit war es, Systeme mit Edukten und Produkten von
Veresterungsreaktionen in ionischen Flüssigkeiten (IF)zu untersuchen. Es wurden die
Reaktionen von Ethanol, 1-Propanol und 1-Butanol mit Essigsäure zu den entsprechenden
Estern: Ethylacetat, Propylacetat und Butylacetat betrachtet. Die drei sauren ionischen
Flüssigkeiten,1-Methylimidazoliumhydrogensulfat [HMIM][HSO4], 1-Ethyl-3-methylimidazoliumhydrogensulfat
[EMIM][HSO4] und 1-Butyl-3-methylimidazoliumhydrogensulfat
[BMIM][HSO4], dienten hier als Katalysator und Extraktionsmittel zur
Aufarbeitung des Reaktionsgemisches. Ziel war es auch, durch Extraktion mit diesen
ionischen Flüssigkeiten Reaktionsprodukt(e) aus dem Reaktionsgemisch zu entfernen und
ähnlich wie bei der Reaktivdestillation das Reaktionsgleichgewicht zu stören.
Daten über das flüssig-flüssig Phasengleichgewicht wurden gesammelt. Die Experimente
umfassten einerseits ternäre nichtreaktive Systeme bestehend aus Alkohol + Ester + IF und
Essigsäure + Ester + IF, andererseits wurden reaktive Fünfkomponentensysteme, die alle
Komponenten, beteiligt an der Reaktion, plus IF enthalten, bestimmt. Um die experimentellen
Daten auf ähnliche, nicht untersuchte, Systeme übertragen zu können wurde systematisch der
Einfluss mehrerer Parameter auf das Phasengleichgewicht untersucht, wie z.B. die Länge der
Alkylkette am Kation oder am Alkohol und die Temperatur. Aus den Messungen wurde klar,
dass mit steigender Alkylkette am Kation die Mischungslücken kleiner werden und
gleichzeitig die Löslichkeit der Edukte in der ionischen Phase verbessert wird. Eine längere
Alkylkette des Alkohols (und des entsprechenden Esters) bewirkt größere Zweiphasengebiete
und verbessert die Löslichkeit der Edukte in der organischen Phase. Da generell eine gewisse
Abhängigkeit zwischen Phasengleichgewicht und erreichten Reaktionsumsatz beobachtet
wurde, lassen sich die erzielbaren Ergebnisse bei bekanntem Phasengleichgewicht abschätzen.
Der Einfluss der Temperatur auf das flüssig-flüssig Gleichgewicht wurde nur für die ternären
Systeme untersucht.
Kinetische Versuche mit IF als Katalysator ergaben relativ enttäuschende Ergebnisse. Die
Hydrogensulfate erwiesen sich als schwache Katalysatoren für diese Reaktionen. In einem
großtechnischen Prozess werden deshalb zusätzliche Katalysatoren, wie Schwefelsäure o.ä.,
notwendig sein.
Aus den experimentellen Phasengleichgewichtsdaten und den Kinetikmessungen wurden
UNIQUAC- bzw. Kinetikansatz-Parameter durch Anpassung gewonnen. Um die reaktiven
Systeme zu simulieren, wurde ein mathematisches Modell, das Phasengleichgewicht und
Reaktionsgleichgewicht in einer Gegenstromextraktionskaskade berücksichtigt, in Matlab
implementiert.
Mehrere vielversprechende Anwendungen der untersuchten ionischen Flüssigkeiten wurden
simuliert und diskutiert. Während alle untersuchten Hydrogensulfate in der Lage sind, Wasser
aus dem Ester/Reaktionsgemisch zu extrahieren, kann man nur [EMIM][HSO4] und
[BMIM][HSO4] zur Entfernung von (kürzerkettigen) Alkoholen und Säuren verwenden. Es
wurden Reaktivextraktionsverfahren für die Herstellung von Ethylacetat konzipiert, die die
Eigenschaften der jeweiligen IF ausnutzen, um im Wesentlichen Wasser aus dem
Reaktionsgleichgewicht zu entfernen und z.B. reinere Produktströme oder höhere
Reaktionsumsätze zu erreichen. Beste Aussichten auf Erfolg von allen drei Salzen hat dabei
die IF [EMIM][HSO4], da im hier vorgeschlagenen Verfahren die wenigsten zusätzlichen
destillativen Trennschritte zu erwarten sind. Die Simulationen ergeben signifikante
Einsparung an Energiekosten gegenüber Reaktivdestillationsverfahren, da hier Energie
hauptsächlich nur zum Verdampfen von Wasser notwendig ist.
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