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Dreiphasige Systeme
 

Dreiphasige Systeme: Methanolsynthese
 

aus CO2 Wertstoffe generieren

Die Reaktionskinetik dreiphasiger Systeme wird meist bei überlagerter Hydrodynamik bestimmt. In den letzten Jahren konnten Verstärkt Mikroapparate mit Festbett bzw. aufgebrachtem Katalysatorfilm entwickelt werden. Diese ermöglichten eine Untersuchung der Reaktionskinetik unter gut definierten hydrodynamischen Bedingungen.

Ziel ist es, eine Kopplung von Reaktionsnetzwerken mit der Computational Fluid Dynamics zu etablieren. Erste Kopplungen der Hydrodynamik eines Dreiphasensystems wurde etabliert und erste Erfolge in Hinsicht auf die Beschreibung des Reaktionsumsatzes wurden erzielt. Zur Verbesserung der Modelle müssen in Zukunft maßgebliche Grundlagenuntersuchungen zur Hydrodynamik erfolgen, da es z.B. bis dato  kein adäquates Modell für den Einzelblasenaufstieg in Suspensionen. Ebenso ist bekannt, dass große Partikel zu Blasenbruch führen können, kleine Partikel zu Blasenkoaleszenz. Ein generelles Verständnis über die unterschiedlichen Größenbereiche sowie Materialeigenschaften ist nicht existent.

Zum Einsatz kommen aktuelle Messtechniken (Nadelsonden sowie am Lehrstuhl entwickelte optische Sondenmesstechnik zur Vermessung der Blasengröße), Particle Image Velocimetry, Phasen Doppler Anemometer sowie Electrical resistivity tomography zur Ermittlung der Hydrodynamik, Hochgeschwindigkeitskameras, sowie seit neuestem eine Hochgeschwindigkeitslichtfeldkamera zur Detektion des dreidimensionalen Strömungsfeldes. Diese Arbeiten sollen in Zukunft ausgebaut werden, aber auch gezielter unterschiedliche Katalysatoren in Kooperation untersucht werden.

Katalysatoren unter dynamischen Bedingungen

Während Katalysatoren offline sehr gut mit aktueller Messtechnik charakterisierbar sind, entsteht bis dato eine Lücke bei der Beschreibung der dynamischen Einflüsse auf das Katalysatorverhalten und den Reaktionsumsatz. Dynamische Schwankungen des Feedstromes in Bezug auf Volumenstrom und Zusammensetzung verändern die räumliche Katalysatorverteilung im Apparat und somit die ablaufenden Reaktionen. Speziell beim Umstieg von konventionellen Rohstoffen auf biobasierte Rohstoffe mit fluktuierender Qualität müssen die Grenzen für einen dynamischen Betrieb erweitert werden.

Eine grobe Einteilung der Problemstellungen kann wie folgt vorgenommen werden:

  1. Katalysatorinteraktion mit der umliegenden Hydrodynamik
  2. Katalysatoranlagerung an Blasen/Tropfen.
  3. Katalysatorverhalten bei wechselnden Betriebsbedinungen (Feedzusammensetzung, Verteilung im Reaktor, etc.).
  4. Alterung des Katalysators. 

Ein Ansatz von Mikroapparaten ermöglicht eine teilweise Entkopplung der komplexen Hydrodynamik von der Kinetik und eine Lösung der 1. Problemstellung. Generell ermöglichen Mikroapparate die Durchführung von chemischen Reaktionen bei kleinen Volumina, guten Wärmetransport sowie hohen definierten Mischungs- sowie Verweilzeitraten. Eine Charakterisierung von Verweilzeit, Druckverlust und Wärmetransport auf Basis einfacher Korrelationen ist aufgrund der gut definierten Bedingungen möglich.Zudem ermöglichen Mikroreaktoren eine Untersuchung der Katalysatorperformance unter gut kontrollierbaren Bedingungen.