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Zusammenfassung:
Membranreaktoren gehören zu den vielversprechenden innovativen neuen Konzepten zur Intensivierung chemischer Prozesse. Daher ist in den letzten Jahrzehnten eine große Anzahl an Publikationen auf diesem Gebiet erschienen. Relativ wenige Arbeiten orientieren dabei auf eine detaillierte mathematische Modellierung von Membranreaktoren.
Die bisher vorgeschlagenen Modelle für Membranreaktoren gehen dabei in der Regel von der klassischen Modellierung konventioneller Festbettreaktoren aus. Die Anwendung ein- und zweidimensionaler Modelle ist bei Festbettreaktoren Stand der Technik [1]. In jüngerer Zeit liegt hier das Hauptaugenmerk auf der Charakterisierung der Fluidgeschwindigkeit und der Stoff- bzw. Wärmetransportkoeffizienten unter Berücksichtigung der örtlichen Struktur der Katalysatorpackung und der Einflüsse der Reaktorwand, insbesondere bei signifikant kleinem Verhältnis zwischen Partikel- und Reaktordurchmesser [2]. Gegenstand dieser Arbeit ist deshalb die Formulierung und Lösung eines zweidimensionalen Membranreaktormodells (stationär, nicht-isotherm, pseudohomogen), wobei das radiale und axiale Geschwindigkeitsfeld durch eine modifizierte, d.h. um Reibungsterme erweiterte Navier-Stokes-Gleichung quantifiziert werden soll.
Für die Implementierung der den Membranreaktor beschreibenden Modellgleichungen wurde das kommerzielle Softwarepaket Comsol gewählt. Die Validierung der entwickelten zweidimensionalen Modelle erfolgt anhand der experimentellen Ergebnisse einer Studien zur oxidativen Dehydrierung von Ethan zu Ethylen in Membranreaktoren an einem VOX/γ-Al2O3-Katalysator [3]. Die experimentellen Daten wurden in einem praxisrelevanten Technikumsmaßstab (di/da=21/32mm, Gesamtfluss bis 1500lN/h), der eine Untersuchung der vorliegenden axialen und radialen Konzentrations- und Temperaturprofile bei verteilter Dosierung von Sauerstoff entlang der Reaktionszone mittels Membranen gestatten, generiert. Die gewählte Membrangeometrie erlaubte die Platzierung von 7 Thermoelementen an verschiedenen Stellen im Katalysatorbett bzw. auch auf der Membranoberfläche, ohne den Wärme- und Stoffübergang bzw. die Fluiddynamik wesentlich zu beeinflussen, um einen detaillierten Einblick in die axial und radial vorliegenden Temperaturprofile zu erhalten.
Der Fokus bei den durchgeführten Simulationsrechnungen lag auf der Abschätzung interner Konzentrations- bzw. Temperaturprofile unter Berücksichtigung der starken Wärmetönung der Reaktion und der mathematischen Beschreibung der grundsätzlich differierenden Geschwindigkeitsfelder in Festbett- und Membranreaktoren insbesondere unter Berücksichtigung der örtlichen Struktur der Katalysatorschüttung, d.h. einer Porositätsverteilung. Bezüglich des Membranreaktors ist ferner die radiale Verteilung der über die Membran verteilt dosierten Komponente von besonderem Interesse, die bei sehr geringen Mengen an dosiertem Sauerstoff zu einer Limitierung der ODH von Ethan führen kann. Als ausgewähltes Ergebnis sind in Bild 1 die Konzentrationsfelder von Sauerstoff für zwei unterschiedliche Sauerstoff-/ Ethan-Verhälnisse dargestellt.
Diese Illustrationen geben auf einen Blick das Prinzip des Membranreaktors, d.h. Verringerung der lokalen O2-Konzentration zur Vermeidung von Folgereaktionen durch verteilte Dosierung, wieder. Für eine niedrige Sauerstoffkonzentration und eine Reaktionstemperatur von 610°C ist bereits eine deutliche Sauerstofflimitierung in der Katalysatorschüttung im Membranreaktor festzustellen (Bild 1 a). Die höchste Konzentration an Sauerstoff ist, wie zu erwarten, direkt an der Membran lokalisiert. Für den exemplarisch dargestellten Sauerstoffmolenbruch von 1,5% nehmen große Bereiche der katalytischen Zone unter den untersuchten Bedingungen bereits nicht mehr an der Reaktion teil, da eine radiale Verteilung bis zur Rohrmitte nicht gegeben ist.
Die Ergebnisse der Simulationen konnten bezüglich der Ethanumsätze, Selektivitäten bzw. Ausbeuten an Ethylen und der vorliegenden axialen und radialen Temperaturprofile experimentell validiert werden.
Literatur:
[1] Macano, J.G.S., Tsotsis, T.T., Catalytic Membranes and Membrane Reactors, Wiley VCH, Weinheim, 2002
[2] Winterberg, M., Tsotsas, E., Krischke A., Vortmeyer D, Chem. Eng. Sci., 55 (2000) 967
[3] Klose, F. Joshi, M. Hamel, C. Seidel-Morgenstern, A., Applied Catalysis A: General, 260, 2004
