Stofftransport mit Reaktion in Dreiphasenmonolithreaktoren
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Für die technische Entwicklung, Auslegung und Optimierung von zweiphasig durchströmten Monolithreaktoren (Dreiphasenmonolithreaktoren) für katalytische Gas/Flüssig-Reaktionen sind umfangreiche Kenntnisse der komplexen Zusammenhänge zwischen Hydrodynamik und Stofftransport notwendig. Bisherige Berechnungsgleichungen zur Abschätzung der Stofftransportraten einzelner Teilschritte (Gas-Fest, Gas-Flüssig, Flüssig-Fest) berücksichtigten den Einfluss der Strömungsgeschwindigkeiten und der Gasblasen- und Flüssigkeitskolbenlängen unzureichend. Folglich sind darauf basierende Reaktormodelle für eine Reaktorauslegung und ein modellbasierte Optimierung nicht hinreichend verlässlich. Im Rahmen des beantragten Forschungsprojektes wurde eine neuartige Messapparatur zur Bestimmung der Stoffübergangskoeffizienten (ka)GS, (ka)GL, (ka)LS bei gleichzeitiger Aufklärung der Hydrodynamik in einem kanalförmigen Reaktionsraum entwickelt und eingesetzt. Kernstücke der Messapparatur sind transparente Kanäle vor und hinter dem Reaktionssegment, die durch eine Einbettung in Acrylharz eine nichtinvasive Visualisierung der Strömung unter erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur erlauben. Des Weiteren können aggressive, korrosive Medien wie sie in der Industrie eingesetzt werden, wie z. B. Wasserstoff und organische Lösungsmittel, verwendet werden. Es wurde eine variable Gas/Flüssig-Einspeisung zur gezielten Steuerung der Gasblasen- und Flüssigkeitskolbenlängen bei konstanten Strömungsgeschwindigkeiten entwickelt. Die Aufklärung der Stofftransportkoeffizienten wurde mit einer detaillierten Untersuchung der Hydrodynamik der Gas/Flüssig-Strömung kombiniert, da das Strömungsregime, die Gasblasen- und Flüssigkeitskolbenlängen maßgeblich die Stoffaustauschflächen bestimmen. Die Strömung in den Kanalsystemen wurde mit Hochgeschwindigkeitskamerasystemen visualisiert und hinsichtlich der hydrodynamischen Parameter charakterisiert. Die Strömungen in den Kanalstrukturen wurden in Abhängigkeit der Strömungsgeschwindigkeiten, der Kanalgeometrie, des Gas/Flüssig-Mischsystems, der Stoffeigenschaften, der Strömungsrichtung und des Systemdrucks bestimmt. Des Weiteren konnte der Blasenbildungsmechanismus an der Spitze des Mischsystems und die Entwicklung der Gasblasen- und Flüssigkeitskolbenlängen aufgeklärt und korreliert werden. Die Stofftransportkoeffizienten wurden anhand experimenteller Reaktionsstudien der Hydrierung von Alpha-Methylstyrol zu Cumol unter extern stofftransportlimitierten Bedingungen bestimmt. Die Stofftransportkoeffizienten aller drei Teilschritte steigen mit Erhöhung der Gas- und Flüssigkeitsgeschwindigkeiten an. Durch eine Variation der Gasphasenanteile konnte gezeigt werden, dass die Geschwindigkeit des Stofftransportschritts Gas/Fest und die der Reihenschaltung aus Gas/Flüssig und Flüssig/Fest für eine breiten Bereich an Gas- und Flüssigkeitsgeschwindigkeiten annähernd gleich ist. Die übergehende Wasserstoffmenge steigt mit Verringerung des Kanaldurchmessers durch eine Vergrößerung der volumenspezifischen Austauschflächen an, wobei runde Kanäle höhere Stofftransportkoeffizienten aufwiesen als quadratische Kanäle. Basierend auf den experimentellen Daten wurden Korrelationsgleichungen hergeleitet, die die Abschätzung der Stofftransportkoeffizienten der einzelnen Transportschritte ermöglichen. Es wurde ein Modell eines Monolithreaktors auf der Basis der Massebilanzen aller beteiligten Komponenten und einer Wärmebilanz entwickelt. Das Model zeichnet sich besonders durch die Berücksichtigung folgender Parameter aus: a) Diffusions- und Reaktionsvorgänge innerhalb der Katalysatorschicht, b) Abnahme der Gasblasenlänge durch Wasserstoffverbrauch und die damit verbundene Veränderung der volumenspezifischen Stoffaustauschflächen in Abhängigkeit der Reaktorlänge und c) Veränderung der Stoffeigenschaften mit Erhöhung der Reaktortemperatur. Das Reaktormodell ist in der Lage, die Daten der experimentellen Versuche gut wiederzugeben und kann für die Auslegung von Monolithreaktoren verwendet werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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2009. Mass transfer in small channels with slug flow under reacting conditions. 8th World Congress of Chemical Engineering (WCCE 8), Montreal, Kanada
Haase, S., Bauer, T., Langsch, R., Lange, R.
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2009. Modellierung von Gas/Flüssig/Fest- Reaktionen in engen Kanälen für das Regime der Kolbenströmung. Chemie Ingenieur Technik 81(12): 1991-1998
Haase, S., Bauer, T., Langsch, R., Lange, R.
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2011. Comparison of structured trickle-bed and monolithic reactors in Pd-catalyzed hydrogenation of alpha-methylstyrene, Chemical Engineering Journal 169(1-3): 263-269
Bauer, T., Haase, S.
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2011. Hydrodynamics and mass transfer in minichannels with catalytic walls or catalyst particles. 8th European Congress of Chemical Engineering (ECCE 8) together with ProcessNet-Jahrestagung, Berlin, Deutschland
Haase, S., Bauer, T., Lange, R.
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2011. New method for simultaneous measurement of hydrodynamics and mass transfer in a mini-channel reactor with Taylor flow. Joint conference: Catalysis in Multiphase Reactors (Camure 8) and 7th International Symposium on Multifunctional Reactors (ISMR 7), Naantali, Finnland
Haase, S., Bauer, T., Lange, R.
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2011. New method for simultaneous measurement of hydrodynamics and reaction rates in a mini-channel with Taylor flow. Chemical Engineering Journal 176-177: 65-74
Haase, S., Bauer, T.
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2013. Hydrodynamics and mass transfer in three phase composite minichannel reactors. Chemical Engineering Science 94: 224-263
Haase, S., Weiss, M., Langsch, R., Lange, R.
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2013. Hydrodynamics, mass transfer, and scale-up of miniaturised and structured fixed-bed reactors for gas-liquid-solid reactions. 9th World Congress of Chemical Engineering (WCCE9), Seoul, Korea
Haase, S., Langsch, R., Weiss, M., Lange, R
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2014. Gas-liquid two-phase flows in square minichannels: dimensionless analysis of flow regimes and taylor flow parameters. 21th International Conference on Chemical Reactors, Delft, Niederlande
Haase, S., Bauer, T., Lange, R.
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2014. Hydrodynamics and mass transfer in composite flow reactors for gas/liquid/solid applications. 13th International Conference on Microreaction Technology (IMRET13), Budapest, Ungarn
Haase, S., Langsch, R., Bauer, T., Lange, R.
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2014. Impact of Spherical Catalyst Particles on Gas-Liquid Flow Regimes in Minichannels with Square Cross Section. Chemie Ingenieur Technik 86(4): 467-475
Haase, S., Langsch, R., Bauer, T., Lange, R.
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2014. Investigation of a packed bed in a mini channel with a low channel-to-particle diameter ratio: flow regimes and mass transfer in gas-liquid operation. Chemical Engineering and Processing: Process Intensification 75: 8-18
Langsch, R., Zalucky, J., Haase, S., Lange, R.
