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Dr. Markus Schubert
Experimental Thermal Fluid Dynamics
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Zweiphasenströmung in keramischen Monolithen

Der Betrieb von monolithischen Wabenstrukturen mit Taylorströmung wird als eine vielversprechende Methode zur Prozessintensivierung heterogen-katalysierter Reaktionsprozesse betrachtet. Die alternierende Slug-Blasen-Formation begünstigen die Wärme- und Stofftransportprozesse und die Katalysatorausnutzung, wenn die Strömungsbedingungen optimal auf die Erfordernisse der Reaktion abgestimmt sind. Um von dem exzellenten Gas-Flüssig-Stofftransportverhalten und den flexibel einstellbaren Verweilzeiten des Taylorströmungsregimes zu profitieren, ist eine homogene und gut definierte Phasenverteilung im Strömungsquerschnitt und in den Einzelkanälen erforderlich.

Zur Untersuchung der Fehlverteilungsempfindlichkeit von Monolithstrukturen wurde die ultraschnelle Röntgentomographie eingesetzt und verschiedene Gas-Flüssig-Verteiler (z.B. Nadelverteiler) untersucht. Um die Auswirkung der Fehlverteilung zu bewerten, wurde eine Methode verwendet, bei der die taylorströmungsspezifischen Eigenschaften von Einheitszellen (Slug + Taylorblase) in jedem einzelnen Kanal bestimmt und diese dann effizient mit einem Simulationsmodell gekoppelt wurden, welches ursprünglich für Einzelkanalstudien entwickelt wurde.



Signifikante Abweichungen im Phasenanteil sowie bei Blasen- und Sluglängen wurden in den einzelnen Kanälen ermittelt. Mehr als 125.000 Einheitszellen wurden für die Simulation der Reaktorproduktivität berücksichtigt, um den Einfluss der Fehlverteilung abzuschätzen. Dazu wurde die Hydrierung von Glukose zu Sorbitol exemplarisch in einem Pseudo-2D-Reaktormodell mit Blasen- und Sluglänge sowie Zweiphasengeschwindigkeit als Eingabeparameter berücksichtigt. Für eine effiziente Berechnung der Sorbitolproduktionsrate für eine riesige Anzahl an Einheitszellen wurde ein Gitterinterpolationsschema verwendet.



Die Ergebnisse zeigen, dass die Auslegung von Monolithreaktoren für eine hohe Produktselektivität und gewünschte Umsätze nur anhand von Leerrohrgeschwindigkeiten und empirischen Korrelationen für Blasen- und Sluglängen fehlschlägt. Die entwickelte Methode ist damit eine hervorragende Basis für die Auslegung und Auswahl geeigneter Verteiler, um günstige Strömungskonfigurationen für spezifische chemische Prozesse sicherzustellen.

Kooperation

  • TU Dresden,
  • Åbo Akademi University

Förderung

Helmholtz-Gemeinschaft (Helmholtz Energieallianz ‘Energieeffiziente chemische Mehrphasenprozesse’ - HEA-E0004)

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