Simulation and Economic Analysis of 5-Hydroxymethylfurfural Conversion to 2,5-Furandicarboxylic Acid

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenMasterarbeit

Abstract

Aufgrund des ansteigenden Ölpreises und umwelttechnischer Aspekte gewinnt in den letzten Jahren die Entwicklung von Alternativen zu erdölbasierten Chemikalien und Treibstoffen immer mehr an Bedeutung. Biomasse ist ein mögliches erneuerbares Ausgangsmaterial für die Herstellung von Chemikalien und Treibstoffen. Um die gleichen Produkte wie durch erdölbasierte Prozesse zu erzeugen, sind unterschiedliche Katalysatoren und Reaktionsmechanismen notwendig. Ein viel versprechender Rohstoff für Chemikalien, die auf Biomasse basieren, ist 5-Hydroxymethylfurfural (HMF), das aus Monosacchariden, wie zum Beispiel Glukose und Fruktose, erzeugt wird. Ein mögliches Produkt aus HMF ist 2,5-Furandicarboxylische Säure (FDCA), die aus der katalytischen Oxidation von HMF hergestellt wird. Laut einem Bericht des Departments für Energie von den Vereinigten Staaten von Amerika im Jahre 2004 gehören HMF und FDCA zu den 12 biobasierten Bausteinen für Chemikalien der Zukunft. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden Prozesssimulationen zur Herstellung von gereinigtem FDCA aus HMF durchgeführt. Hierfür wurde ein Rohrreaktor simuliert, um FDCA aus HMF in einer wässrigen Lösung zu erzeugen, wobei Luft als Oxidationsmittel benutzt wurde. Des Weiteren wurden zwei unterschiedliche FDCA-Reinigungsverfahren untersucht. Im ersten Prozess erstarrt FDCA in einem Kristallisator und wird in einem Hydrozyklon oder einem Filter abgeschieden, wobei die Reinheit im Produktstrom in den beiden Verfahren bei 3 Gew% beziehungsweise 98 Gew% FDCA liegt. In einem weiteren Prozess wird flüssiges FDCA mit einer Reinheit von 97 Gew% hergestellt. Aufgrund des hohen Siedepunktes von FDCA ist eine Trennung von der wässrigen Essigsäurelösung nicht möglich. Hierfür wird FDCA vom Lösungsmittel Trioctylamin aus der wässrigen Lösung extrahiert und in einer Destillationskolonne gereinigt. Die Essigsäure und Trioctylamin werden in einer zweiten Destillationskolonne getrennt, wobei das Destillat nicht verflüssigt wird, um die Kühlkosten gering zu halten. Es wurden bei allen Prozessen Wirtschaftlichkeitsberechnungen durchgeführt, um den geringstmöglichsten Verkaufspreis von FDCA zu ermitteln. In den Prozessen mit dem Hydrozyklon und dem Filter wurde der Preis für FDCA auf 4435 $/t beziehungsweise 3157 $/t errechnet. Der niedrigste Verkaufspreis von FDCA im Prozess mit den Destillationskolonnen wurde mit 3885 $/t ermittelt. Die durchgeführten Empfindlichkeitsstudien zeigen, dass die Selektivität von FDCA und die Umwandlung von HMF und den Zwischenprodukten einen geringen Einfluss auf den errechneten kleinsten Preis für FDCA haben, wobei die Anlagenkapazität und die Kosten für den Katalysator und HMF sich stark auf den geringsten Verkaufspreis von FDCA auswirken.

Details

Titel in ÜbersetzungSimulation und Wirtschaftlichkeitsanalyse der Umwandlung von 5-Hydroxymethylfurfural zu 2,5-Furandicarboxylsäure
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDipl.-Ing.
Gradverleihende Hochschule
Betreuer/-in / Berater/-in
Datum der Bewilligung14 Dez. 2012
StatusVeröffentlicht - 2012