Projekt 31819/01

Projektträger

Universität Bayreuth Lehrstuhl für Werkstoffverarbeitung
Universitätsstr. 30
95447 Bayreuth
Telefon: 09 21/55-72 02

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Das Ziel des Projektes ist die chlorfreie Herstellung von teil- und perfluorierten Fluoralkenen, wie Vinylidenfluorid (VDF), Tetrafluorethylen (TFE) und Hexafluorpropylen (HFP). Die Herstellung dieser Monomere erfolgt aktuell im industriellen Maßstab über eine mehrstufige Synthese zur Erzeugung von Chlordifluormethan (R22) und dessen anschließende Pyrolyse. Aufgrund des hohen Energie- und Chemikalienaufwands eröffnet die Entwicklung neuer Prozesse und Reaktoren ein großes ökonomisches und ökologisches Potential.
Eine chlorfreie Syntheseroute zur Bereitstellung von Einsatzstoffen stellt die elektrochemische Fluorierung (ECF) dar. Durch die direkte Umsetzung von kurzkettigen Alkanen mit HF wird ein Gemisch aus voll- und teilfluorierten Alkanen gewonnen. Die Selektivität der ECF ist gering und erzeugt ein Produktspektrum, das zu ca. 70% aus teilfluorierten Alkanen besteht. Aktuell werden diese Stoffströme rein thermisch verwertet, da bislang keine ökologisch sinnvollen und technisch machbaren Prozessrouten existieren.
Ausgehend von diesen teilfluorierten kurzkettigen Kohlenwasserstoffen sollen thermische oder katalytische Pyrolyseverfahren entwickelt werden, die eine stoffliche Verwertung in Form von Fluormonomeren ermöglicht.
Im Projekt sollen die Fluormonomersynthesen in einem Hochtemperatur-Mikroreaktor durch Umsetzung teilfluorierter Alkane, wie bspw. CHF3, C2HF5 oder C2H2F4, durchgeführt werden. Das Mikroreaktorkonzept bietet grundsätzliche verfahrenstechnische Vorteile hinsichtlich der Verweilzeit sowie der Wärme- und Stoffübertragung bei chemischen Reaktionen. Zusätzlich liefert der Mikroreaktor eine einfache Skalierbarkeit durch „Numbering-Up“ und eine erhöhte Betriebssicherheit durch die geringen Stoffmengenströme.
Nach aktuellem Stand der Technik werden Pyrolysereaktoren (R22-Pyrolyse) vorzugsweise aus Nickelbasislegierungen oder Ni-Stählen gefertigt. Aufgrund der starken Korrosion dieser Werkstoffe unter den Prozessbedingungen durch auftretende HF und HCl belasten Ni-haltige Korrosionsprodukte die entstehenden Abfallsäuren und müssen aufwendig gereinigt bzw. entsorgt werden.
Die eingesetzten Mikroreaktoren werden aus Siliziumkarbid (SiC) gefertigt, da dieses eine Umweltbelastung durch schwermetallhaltige Korrosionsprodukte bei der Pyrolyse von teilfluorierten Alkanen ausschließt und gleichzeitig eine isotherme Betriebsweise durch seine hohe Wärmeleitfähigkeit ermöglicht. Für den Einsatz unter den gewählten Prozessbedingungen wird der Werkstoff SiC an der Oberfläche durch das Aufbringen einer „Carbide Derived Carbon“-Schicht (CDC) modifiziert, um eine Korrosion der Reaktorwand gegenüber HF zu vermeiden und mögliche Dehydrierungskatalysatoren darauf abzuscheiden.
Neben den Fluormonomeren wird bei den durchgeführten Pyrolysen wasserfreie HF durch die Spaltungsreaktionen frei. Im Projekt soll die Entwicklung einer Verfahrensroute zur Nutzung dieses Wertprodukts untersucht werden.
Die Zielsetzung des Projektes lässt sich in 6 Teilziele untergliedern:
1. Chlorfreie Herstellung von Vinylidenfluorid durch Pyrolyse von Tetrafluorcyclobutan (Ethylen-Tetrafluorethylen-Dimer).
2. Verwendung verfügbarer aber bisher nicht adäquat nutzbarer teilfluorierter Alkane.
3. Identifizierung von thermischen oder katalytischen Syntheseparametern.
4. Entwicklung eines neuen Mikroreaktors auf Basis der erzielten Parameter.
5. Entwicklung eines schwermetallfreien keramischen Mikroreaktors zur Vermeidung einer Schwermetallbelastung von Abwässern/Abfallsäuren durch Korrosionsprodukte der Reaktoren.
6. Entwicklung einer alternativen Verfahrensroute zur Nutzung der im Prozess anfallenden wasserfreien HF.