Untersuchung selbstoptimierender Reaktorsysteme : Anwendung und Informationsextraktion

Heddrich, Steffen Sebastian; Leitner, Walter; Liauw, Marcel

doi:HT018995215

Untersuchung selbstoptimierender Reaktorsysteme : Anwendung und Informationsextraktion = Investigation of self-optimzing reactor systems : application and extraxtion of Information

Heddrich, Steffen Sebastian

2016

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Diplom-Chemiker Steffen Sebastian Heddrich

ImpressumAachen 2016

Umfang1 Online-Ressource (vii, 114 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen, 2016

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Liauw, Marcel (Thesis advisor) ; Leitner, Walter (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2016-05-24

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-042403
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/658460/files/658460.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/658460/files/658460.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Selbstoptimierung (frei) ; Simplex (frei) ; Modelldiskriminierung (frei) ; Kinetik (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540

Kurzfassung
Selbstoptimierende Reaktorsysteme sind seit einigen Jahren eine neue, innovative Technik um Reaktionssysteme vollautomatisch zu optimieren. Dazu müssen einige Bedingungen erfüllt sein. Zum Ersten muss das Reaktorsystem, in dem die Reaktion abläuft, kontinuierlich betrieben werden und eine entsprechende online Analytik zur Verfügung stehen. Mit einem passenden Optimierungsalgorithmus kann das System, ohne den Eingriff von außen, durch Variation der verschiedenen Prozessparameter, nach kurzer Zeit die optimalen Reaktionsbedingungen bestimmen. So wird eine entsprechende Zielgröße maximiert bzw. minimiert. Zur Bestimmung der optimalen Parameter werden viele verschiedene Messpunkte angefahren und analysiert. Mit diesen Datensätzen können nun erste kinetische Daten des Systems berechnet werden.In dieser Dissertation wurden drei verschiedene Reaktionssysteme selbstoptimiert, um anschließend durch eine Modelldiskriminierung und Parameterschätzung kinetische Daten der Reaktionssysteme zu berechnen. Zusätzlich wurden drei selbstoptimierte Reaktionssysteme aus der Literatur herangezogen, um auch bei diesen kinetische Parameter zu berechnen.Bei den selbstoptimierten Reaktionssystemen, die in dieser Arbeit betrachtet wurden, handelt es sich um die Paterno-Büchi-Reaktion von Benzophenon und Furan, die heterogen katalysierte Hydrierung von Benzaldehyd und die säurekatalysierte Piancatelli-Umlagerung von Furfurylalkohol zu 4-HCP. Das Ziel der Optimierung aller Reaktionen war die höchst-mögliche Ausbeute, welche bei allen Systemen erreicht wurde.Die Extraktion kinetischer Daten wurde mit den drei erwähnten Reaktionen durchgeführt. Ebenfalls wurden eine Knoevenagel-Reaktion, eine Heck-Reaktion und die Oxidation von Benzylalkohol mit Cr(VI) aus der Literatur herangezogen. Für fünf der sechs Systeme war eine Berechnung von kinetischen Parametern möglich. Die Messdaten der Oxidation von Benzylalkohol waren zu stark fehlerbehaftet, um aus diesen weitere Informationen zu gewinnen.Zusätzlich konnte bei der Piancatelli-Umlagerung von Furfurylalkohol der 4-HCP-abhängige Partitionskoeffizient von Furfurylalkohol in Toluol und Wasser bestimmt werden.Insgesamt ergeben sich aus den Ergebnissen dieser Arbeit Voraussetzungen, welche erfüllt sein sollten, damit aus einem selbstoptimierenden Reaktorsystem kinetische Daten erhalten werden können. Dies beginnt schon bei dem Aufbau des Reaktorsystems und endet bei Auswahl der richtigen Modelle.

Self-optimizing reactor systems are a new and innovative technic for fully automatic optimization of reactions. Therefor a continuous reactor setup and an appropriate online analytics are needed. The use of an optimization algorithm leads to optimal reaction conditions in short time by variation of the different process parameters. The system is optimized to the desired parameter like conversion or yield. Next to the optimal process conditions the self-optimizating reactor system had measured many different parameter sets. With these measuring points it is possible to extract kinetic information of the reaction system.In this thesis three different reaction systems were self-optimized and investigated to estimate kinetic data. Additionally, three self-optimized systems were used to determine kinetic parameters.The self-optimization was done with a Paterno-Büchi reaction of benzophenone and furan, a heterogeneous catalysed hydrogenation of benzaldehyde and an acid catalysed Piancatelli rearrangement of furfuryl alcohol to 4-HCP. Every reaction was optimized to the highest possible yield.The extraction of kinetic information was done with the three mentioned reaction systems and three reaction systems from literature - a Knoevenagel reaction, a Heck reaction and an oxidation reaction. In five of the six systems it was possible to estimate kinetic parameters. Additionally, it was possible to determine the 4-HCP depending partition coefficient of furfuryl alcohol in water and toluene. In conclusion the results of this thesis reveal conditions for self-optimizing reactor systems to improve the output of self-optimizing reaction systems and to improve the quality of the extracted kinetic parameters.

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