Etil asetat üretimine yönelik esterleşme reaksiyonunun değişik katalizörler varlığında pervaporasyon membran reaktörde incelenmesi

Abstract

Pervaporasyon membran reaktörler, özellikle denge reaksiyonlarında oluşan ürün ya da ürünlerin kontrollü olarak uzaklaştırılması yoluyla dönüşümü arttırmak üzere kullanılan ayırma ve reaksiyonun bir arada gerçekleştirildiği sistemlerdir. Bu çalışmada, paslanmaz çelikten yapılmış iki farklı kesikli pervaporasyon membran reaktörde etanol ve asetik asitin etil asetat ve su vermek üzere girdikleri esterleşme reaksiyonu incelenmiştir. Reaktörlerden bir tanesi geri döngüsüz, diğeri ise geri döngülüdür. Geri döngüsüz reaktörde çoğunlukla esterin uzaklaştırılması gerçekleştirilmiş, bir miktar da suyun uzaklaştırılmasına yönelik deneyler yapılmıştır. Çalışılan sıcaklıklar 50, 60 ve 70°C'dir. Etanol derişiminin asetik asit derişimine oranı (M) 1 ve 1.5 olarak seçilmiştir. Kullanılan katalizörler Amberlit 15, sülfürik asit ve Nafyon sac-13 katalizörleridir. Membran olarak, reaksiyonda ürün olarak oluşan etil asetatata karşı seçici olan ve laboratuarımızda hazırlanan polidimetilsiloksan kullanılmış ve böylece etil asetatın düzenli olarak reaksiyon ortamından uzaklaştırılması ile dönüşümün arttırılması sağlanmıştır. Laboratuarımızda hazırlanan polivinilalkol (PVA) ve Nafyon 117 membranları ile de suyun uzaklaştırılmasına yönelik deneyler yapılmıştır. Çalışılan membran alanının besleme karışımının hacmine oranı 0.1325 cm-1'dir.Reaksiyonlar, pervaporasyon membran reaktörde çalışılan tüm deneyler için aynı şartlar altında membransız kesikli reaktörde de gerçekleştirilmiştir. Böylece membranın, dönüşümü ne kadar arttırdığı saptanmıştır. PDMS membran ile elde edilen akılar kabul edilebilir yüksekliktedir (3000-4500 g/m2h). 350 dakikalık reaksiyon süresi sonunda dönüşümlerin yaklaşık %9-10 civarında arttığı görülmüştür. Kullanılan katalizör cinsi, sıcaklık ve reaktan oranının dönüşüm üzerine etkileri incelenmiştir. Sıcaklığın artması hem membranın geçirgenliğini, hem de reaksiyon hızını arttırdığı için dönüşüm ve akıyı arttırıcı yönde etkilemiştir. Reaktanlardan birisinin fazla kullanılması dengeyi ürünler yönüne kaydırdığı için reaktan oranının arttırılması dönüşümü arttırmıştır. Kullanılan katalizörlerin etkinliği ise şu sırayı takip etmektedir: sülfürik asit>Amberlit 15>Nafyon Sac-13. Ek olarak, PVA ve Nafyon 117 membranları ile suyun uzaklaştırılmasına yönelik deneyler yapılmıştır. Ancak PVA membranda akı oldukça düşük olduğu için (?100 g/m2h), dönüşümün arttırılması mümkün olmamıştır.Geri döngülü reaktör kullanılarak reaksiyondan suyu uzaklaştırmak üzere yapılan deneyler İspanya'nın Oviedo Üniversitesinde gerçekleştirilmiştir. Bu sistemde kullanılan membran Sulzer'in Pervap 2216 kodlu polivinilalkol esaslı membranıdır. Çalışılan sıcaklık 70°C'dir. Kullanılan katalizör sülfürik asittir. Etanol derişiminin asetik asit derişimine oranı (M) 8 ve 10 olarak seçilmiştir. Çalışılan membran alanının besleme hacmine oranı 0.99-1.37 cm-1 aralığındadır. Farklı besleme hacimleri kullanılarak, membran alanının besleme hacmine oranının dönüşüm üzerine etkisi incelenmiş ve bu oranın artmasının dönüşümü arttırıcı etkisi olduğu saptanmıştır.Kesikli pervaporasyon membran reaktörde sülfürik asit katalizörü varlığında PDMS membran ile esterin uzaklaştırılmasına yönelik yapılan deneyler için dönüşümlerin zamana bağlı olarak hesaplanabildiği homojen katalizör kinetiğine dayalı bir model önerilmiş ve böylece dönüşümlerin pervaporasyon süresiyle değişimleri hesaplanabilmiştir. Modelden elde edilen sonuçlar deneysel sonuçlar ile uyum içerisindedir.