Kesikli membran reaktörde izobutil asetat eldesine yönelik esterleşme reaksiyonunun çeşitli katalizörler varlığında incelenmesi

Abstract

Pervaporasyon enerji tasarrufu sağlayan ve çevre dostu bir ayırma teknolojisi olarak son yıllarda oldukça ilgi çekmektedir. Bir sıvı karışımından bir veya daha fazla bileşeni ayırmak için seçici polimerik membranların kullanıldığı pervaporasyonda, membranın bir tarafıyla temas halindeki ayrılacak olan sıvı karışımı membrana sorplandıktan sonra membran boyunca seçici olarak difüzlenerek membranın diğer tarafından uygun bir vakum altında buhar fazında çıkar ve ürün yoğuşturularak alınır. Geleneksel ayırma yöntemlerine nazaran daha az enerji gerektiren ve daha az maliyetli olan pervaporasyon prosesi, esterleşme sırasında ürünü (ester), ya da yan ürünü (su) reaksiyon ortamından uzaklaştırmak suretiyle reaksiyonu uygun bir yöne kaydırarak dönüşümün artmasını sağlar ve reaksiyon zamanını kısaltır. Pervaporasyon membran reaktör (PVMR) olarak bilinen bu tür reaktörlerde uygun membranın kullanılmasıyla geleneksel esterleşme proseslerine oranla aynı reaksiyon sürelerinde daha yüksek dönüşümler elde edilmektedir.Bu çalışmada, özellikle kozmetik, aroma ve boya endüstrilerinde geniş kullanım alanlarına sahip değerli bir çözücü olan izobutil asetatın, ürün olarak daha yüksek dönüşümlerle elde edildiği pervaporasyon-esterleşme denge reaksiyonları kesikli bir PVMR'da homojen (sülfürik asit) ve heterojen (Dowex 50W-X8, Amberlyst 15, Amberlyst 35, Amberlite IR-120, Zr(SO4)2?4H2O, Nafion SAC-13) katalizörler varlığında farklı sıcaklık, katalizör derişimi, başlangıç reaktan mol oranı ve etkin membran alanı/reaksiyon hacmi oranlarında incelenmiştir. Membran olarak, esterlere karşı seçici olan çapraz bağlı polidimetilsiloksan (PDMS) membran laboratuvarımızda hazırlanmış ve PVMR' de kullanılmıştır. Ayrıca, laboratuarımızda hazırlanan tartarik asit (Tac) ile çapraz bağlanmış polivinil alkol (PVA) membran ile ticari PERVAP 1201, PERVAP 2216, Nafion 117 membranlar da bu çalışmada kullanılmıştır. PVMR deneyleriyle karşılaştırma amacıyla basit kesikli membransız reaktörde (SBR) kinetik esterleşme reaksiyonu deneyleri aynı koşullarda gerçekleştirilmiştir. İlave olarak, butil propiyonat (daha uzun bir ester) üretimine yönelik esterleşme reaksiyonu da PVMR ve SBR'de Dowex 50W-X8 katalizörü varlığında çeşitli sıcaklık, başlangıç reaktan mol oranları ve katalizör derişimlerinde çalışılmıştır. Son olarak ise literatürde geçen bir PVMR analizine dayanarak bu doktora tezinde yer alan PVMR'de esterleşme çalışmaları için bir modelleme çalışması sunulmuştur.Sorpsiyon sonuçları, PDMS membranın ester ürünlere karşı seçiciliğini ortaya koymuş, sıcaklık, başlangıç reaktan mol oranı, katalizör derişimi ve etkin membran alanı/reaksiyon hacmi oranı artışıyla dönüşümün arttığı ve PVMR sonucu elde edilen dönüşümlerin dengenin PDMS tarafından ürünler lehine kaydırılması sonucunda SBR' de elde edilen dönüşümlerden daha yüksek çıktığı, PDMS membranla makul akıların elde edilebileceği ve membranın iBAc esterleşme reaksiyonunda iBAc'ı, BuP esterleşmesinde ise ester ürün BuP'ı diğer bileşenlerden daha çok seçtiği görülmüştür. Çalışılan çeşitli katalizörlerle ve katalizörsüz olarak yapılan deneyler arasında dönüşüm sıralaması şu şekilde gerçekleşmiştir: katalizörsüz < Nafion SAC 13 < Amberlyst 35 < Zr(SO4)2?4H2O < Amberlyst 15 < Amberlite IR-120 < Dowex 50W-X8 < sülfürik asit. Farklı membranlarla elde edilen dönüşüm sıralaması XPERVAP 2216 > XNafion 117 > XPERVAP 1201 ? XPDMS > XPVA şeklindedir. Denenen modelleme çalışmasında model sonuçları deneysel sonuçlara yakın çıkmış, özellikle de reaksiyon ilerledikçe reaksiyonun model dönüşüm eğrileri, deneysel dönüşüm eğrilerine yaklaşmıştır.