Experimentelle und theoretische Analyse des hydrodynamischen und reaktionstechnischen Verhaltens geneigter Festbettdrehrohrreaktoren für Gas-Flüssig-Reaktionen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Vorhaben zur experimentellen und theoretischen Analyse des hydrodynamischen und reaktionstechnischen Verhaltens geneigter Festbettdrehrohrreaktoren wurde ein neues Reaktorkonzept entwickelt, bei dem durch geeignete Strömungsführung eine Umsatzsteigerung bei heterogen-katalysierten Gas-Flüssig-Reaktionen realisiert werden kann, deren Gasphasenstofftransport geschwindigkeitsbestimmend ist. Ziel war dabei insbesondere die Entwicklung eines anwendungsorientierten und prädiktiven Modellierungsansatzes zur Beschreibung der Raum-Zeit-Ausbeute für verschiedene Drehrohrreaktordesigns mit stratifizierter Strömung. Für den neuen Reaktor wurde ein heterogenes Kontinuumsmodell entwickelt. Dafür wurde ein dynamisches Katalysatorpartikelmodell mit periodischem Wechsel des Benetzungszustands mit einem axialen Dispersionsmodell gekoppelt. Außerdem wurde eine Verknüpfung eines angepassten Zweiphasen-Euler-CFD-Modells zur Simulation der stratifizierten Strömung mit dem Katalysatorpartikelmodell realisiert, um den Einfluss der Verweilzeit und der periodischen Be- und Entnetzungszeit abzubilden. Zur Validierung des Modells wurden umfangreiche hydrodynamische und reaktionstechnische Studien durchgeführt. Dies beinhaltete eine systematische Untersuchung der Kenngrößen der stratifizierten Strömung in Abhängigkeit von Reaktordrehzahl und -neigung, Durchsätzen der fluiden Phasen sowie von Packungsspezifikationen und Drehrohrreaktordesign. Mittels bildgebender Gittersensoren wurde hierzu die periodische Be- und Entnetzung sowie die Strömungsform im Reaktorquerschnitt analysiert und damit auch Prozessfenster für optimale Betriebsbedingungen des Reaktorkonzepts identifiziert. Validierungsdaten zur Performance des modifizierten Reaktors wurde über die Bestimmung der Raum-Zeit-Ausbeute anhand der Hydrierung von Alpha-Methylstryol bestimmt. Insbesondere die Einflüsse von Neigungswinkel, Gasgeschwindigkeit und Rotationsgeschwindigkeit wurden untersucht und eine umfassende Datenbasis erzeugt. Mit dem validierten Modell steht eine Methodik zur Auslegung von Prozessen in Drehrohrreaktoren bereitgestellt. Zur Identifikation optimaler reaktionsspezifischer Betriebsparameter und Reaktordesigns wurde ein Ablaufplan erstellt und dieser für theoretische Studien zur Raum-Zeit-Ausbeute eingesetzt. Der hybride Modellansatz ermöglicht Performance-Test auch für industrierelevante Skalen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2018). Computational modelling approach of an inclined rotating fixed-bed reactor, 23rd International Congress of Chemical and Process Engineering CHISA, 25. - 29.08.2018, Prague, Czech Republic
Timaeus, R., Hampel, U., Schubert, M.
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(2018). Heterogeneous modeling approach for gas-limited reactions in an inclined rotating fixed bed reactor with stratified flow, Jahrestreffen Reaktionstechnik, 07. - 09.05.2018, Würzburg, Germany
Timaeus, R., Hampel, U., Schubert, M.
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(2018). Inclined rotating fixed bed reactors – a process intensification concept for heterogeneous catalytic multiphase reactions, 23rd International Congress of Chemical and Process Engineering CHISA, 25. - 29.08.2018, Prague, Czech Republic
Timaeus, R., Hampel, U., Schubert, M.
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(2019). A hybrid inclined rotating fixed bed reactor model for the identification of process intensification potential, 14th International Congress on Gas-Liquid and Gas-Liquid-solid Reactor Engineering, 30.05 - 03.06.2019, Guilin, China
Timaeus, R., Hampel, U., Schubert, M.
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(2019). Heterogeneous modeling approach for gas-limited reactions in an inclined rotating fixed bed reactor, Chem. Ing. Tech. 91, 637 - 644
Timaeus, R., Hampel, U., Schubert, M.
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(2019). Liquid flow visualization in packed-bed multiphase reactors: Wire-mesh sensor design and data analysis for rotating fixed beds, Chem. Ing. Tech. 91, 1812 - 1821
Timaeus, R., Berger, R., Schleicher, E., Hampel, U., Schubert, M.
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(2020). Identification of the process windows of inclined rotating fixed-bed reactors with concentric tube – a hydrodynamic analysis. Chem. Eng. Sci. 115637
Timaeus, R., Schleicher, E., Bieberle, A., Hampel, U., Schubert, M.
