Rotierender Festbettreaktor zur Prozessintentivierung von Mehrphasenreaktionen

Umsatz und Selektivität von heterogen-katalysierten Hydrier- und Oxidationsprozessen in Rieselbettreaktoren werden häufig durch die begrenze Zugänglichkeit der Gasphase an den Katalysator limitiert. Hinzu kommen Fehlverteilung der Gas- und Flüssigphase, die die Ausnutzung der Katalysatorpackung reduzieren. Der geneigt rotierende Festbettreaktor stellt ein neues Reaktorkonzept zur Prozessintensivierung dar, bei dem durch Reaktorneigung und Rotation Strömungsbedingungen realisiert werden können, bei denen der Katalysator periodisch be- und entnetzt wird.

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Im Rahmen eines DFG-geförderten Projekts wurden mithilfe tomographischer Bildgebung besonders geeignete Betriebsfenster des prototypischen Drehrohrreaktors identifiziert, bei denen sich eine stratifizierte Strömung ausbildet und damit Stofftransportlimitierungen signifikant reduziert werden. Unter diesen Bedingungen wurden anhand von reaktiven Studien am Beispiel der Hydrierung von Alphamethylstyrol Umsatzsteigerung bis zu einem Faktor 2 im Vergleich zum konventionellen Reaktorbetrieb erzielt. Begleitet wurden die experimentellen Arbeiten durch erste Rechnungen mittels Computational Fluid Dynamics, bei denen anhand eines 3D-Modells basierend auf einem modifizierten Permeabilitätsansatz die Strömungsmuster korrekt simuliert wurden.

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Das Ziel des DFG-Anschlussvorhabens ist es, einen anwendungsorientierten und prädiktiven Reaktormodellierungsansatz zur Beschreibung der Raum-Zeit-Ausbeute für verschiedene Drehrohrreaktordesigns mit stratifizierter Strömung zu entwickeln, um das Potential des Intensivierungskonzeptes vollständig auszunutzen und optimale Betriebsbedingungen zu identifizieren. Dazu werden als Basis ein Zweiphasen-Euler-CFD-Modell zur Beschreibung der Hydrodynamik der stratifizierten Strömung und ein heterogenes Kontinuumsmodell zur Beschreibung des Stofftransports verwendet. Die Modellvalidierung erfolgt anhand systematischer experimenteller Untersuchungen zum Einfluss der Betriebsparameter und der Stoffeigenschaften.

Förderung

Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, SCHU 2421/2-1, SCHU 2421/2-3)

Referenzen

• K. Subramanian, M. Winkler, H.-U. Härting, M. Schubert
  Prediction of flow patterns of rotating inclined reactors by using a modified permeability approach
  Chemical Engineering and Technology 39, 11, 2077-2086 (2016)
• H.-U. Härting, R. Lange, M. Schubert
  Multiphase flow modelling in moderately rotating inclined porous media
  Canadian Journal of Chemical Engineering 94, 10, 1995-2003 (2016)
• H.-U. Härting, R. Lange, F. Larachi, M. Schubert
  A novel inclined rotating tubular fixed bed reactor concept for enhancement of reaction rates and adjustment of flow regimes
  Chemical Engineering Journal 281, 931-944 (2015)
• H.-U. Härting, R. Berger, R. Lange, F. Larachi, M. Schubert
  Liquid backmixing in an inclined rotating tubular fixed bed reactor - Augmenting liquid residence time via flow regime adjustment
  Chemical Engineering and Processing: Process Intensification 94, 2-10 (2015)
• H.-U. Härting, A. Bieberle, R. Lange, F. Larachi, M. Schubert
  Hydrodynamics of co-current two-phase flow in an inclined rotating tubular fixed bed reactor - Wetting intermittency via periodic catalyst immersion
  Chemical Engineering Science 128, 147-158 (2015)