Blasensäulen mit Einbauten

Die meisten Reaktionen in Blasensäulenreaktoren sind exothermer Natur  (z. B. Fischer-Tropsch- und Methanolsynthese). Für einen stabilen und sicheren Reaktorbetrieb wird die überschüssige Reaktionswärme aus dem Reaktor geführt. Dies kann u. a. mit innenliegenden Rohrbündelwärmeübertragern realisiert werden, die vertikal angeströmt werden. Diese bieten den Vorteil, dass die Reaktionswärme direkt am Entstehungsort abgeführt wird. Je nach Prozess und Betriebsmodus werden hohe spezifische Wärmeübertragerflächen zwischen 25 und 45 m-1 benötigt, um die Wärme abzuführen. Umgerechnet auf den Reaktorquerschnitt führt das zu einem Bedeckungsgrad zwischen 20 und 40 % durch die Einbauten.

Ziel der Arbeit ist die Untersuchung des Einflusses solcher dichten Rohrbündelwärmeübertrager mit verschiedenen Rohranordnungen und -größen auf die Hydrodynamik, z. B. Blasengrößenverteilung, Stoffaustauschfläche, Geschwindigkeitsprofile und Gasgehalt. Zusätzlich soll der Einfluss der Rohrbündel auf Stofftransport und Flüssigphasendispersion analysiert werden. Dazu werden neben der ultraschnellen Röntgentomographie auch Gittersensoren und schnelle Sauerstoffsonden eingesetzt.

Die Untersuchungen haben gezeigt, dass kleinere Rohrdurchmesser die Blasenzerfallsrate erhöht und zu deutlich höheren Gasholdups führt. Die damit einhergehenden kleineren Blasengrößenspektren führen zu einer höheren Stoffaustauschfläche. Die tomographische Analyse hat außerdem gezeigt, dass sich innerhalb der Unterkanäle eine Kolbenströmung ausbildet, die zu einer Verringerung der Blasenverweilzeit führt und zusätzlich den Queraustausch mit anderen Unterkanälen begrenzt.

Zusätzlich werden 1D-Zellenmodelle entwickelt, die den Effekt der Einbauten abbilden und für die Ableitung von Skalierungsstrategien eingesetzt werden sollen. In diesem Modellansatz werden Phaseninteraktionen, Strömungsprofile und -formen berücksichtigt, um außerdem hydrodynamische Kenngrößen hervorzusagen und das Stofftransportverhalten abschätzen zu können.

Förderung

European Research Council (ERC Starting Grant, Grant Agreement No. 307360)

Referenzen

• F. Möller, U. Hampel, M. Schubert
  Sub-Channel Flow Behavior in Vertical Tube bundles in Bubble Columns
  ProcessNet Fachgruppentagung Mehrphasenströmungen, Dresden, Germany (2017)
• F. Möller, U. Hampel, M. Schubert
  Bubble Columns with Internals: liquid circulation and swarm dynamics
  ProcessNet Fachgruppentagung Mehrphasenströmungen, Bingen, Germany (2016)