Einfluss der lokalen Energiedissipationsdichte in Reaktoren auf Umsatz und Selektivität chemischer Reaktionen Buchkatalog

Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, den Einfluss der sich in realen Reaktoren und insbesondere im Strahlzonen-Schlaufenreaktor einstellenden lokalen Energiedissipationsverteilung auf den Umsatz und die Selektivität chemischer Reaktionen zu erklären. Hierfür sollen lokale Messdaten im Strahlzonen-Schlaufenreaktor ermittelt werden und diese bei der Entwicklung eines Modells zur Anwendung kommen, um damit auf entscheidende lokale Parameter bei der Auslegung von Reaktoren hinzuweisen und somit eine gezielte Prozessführung zu ermöglichen. Anhand einer Analyse des derzeitigen Kenntnisstands wird deutlich, dass die Charakterisierung von Stoffaustauschapparaten aufgrund der fehlenden lokalen Messdaten weitestgehend auf integralen Parametern beruht. Eine hierbei wichtige Größe stellt die Energiedissipationsdichte dar, mit welcher der Strömungszustand beschrieben und deren Einfluss auf Parameter wie Vermischung, Stoffübergang und Phasengrenzfläche in ein- und mehrphasigen Systemen mit verschiedenen Modellen erklärt werden kann. Allerdings kann aufgezeigt werden, dass auch in diesen Modellen aufgrund der fehlenden lokalen Messdaten vereinfacht von einer integralen Betrachtung, also von einer Gleichverteilung der Energiedissipationsdichte im Reaktorvolumen ausgegangen wird. In experimentellen Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass diese Vereinfachung jedoch zu Abweichungen zwischen Theorie und Messergebnis bei Reaktoren mit einer breiten Verteilung der Energiedissipationsdichte im Reaktorvolumen führt. Anhand einer Analyse des bisherigen Kenntnisstands zum Einfluss der Makro- und Mikrovermischung auf den Umsatz und die Selektivität chemischer Reaktionen konnte in den vorgestellten Modellen die Energiedissipationsdichte als wesentlicher Einflussparameter identifiziert werden. Jedoch wird auch in diesen Modellen wiederum aufgrund der fehlenden Messdaten vereinfacht von einer Gleichverteilung der Energiedissipationsdichte im Reaktor ausgegangen. Zudem wird sich in diesen Modellen in der Regel bei der Betrachtung zum Einfluss der Energiedissipationsdichte auf den Umsatz von chemischen Reaktionen auf eine einzelne Skala beschränkt, so dass z.B. in den Modellen zur Mikrovermischung die makroskopische Vermischung als ideal vorausgesetzt wird und damit keine Berücksichtigung findet. In der vorliegenden Arbeit wird versucht, diese Wissenslücke durch die experimentelle Bestimmung der lokalen Strömungsstruktur in einem Strahlzonen-Schlaufenreaktor und die Anwendung dieser Daten in einem neu entwickelten Modell zu schließen. Hierfür wurden die lokalen Strömungs- und Schwankungsgeschwindigkeiten an ausgewählten Messebenen am Strahlzonen- Schlaufenreaktor mit der Particle Image Velocimetry bestimmt, wodurch die lokalen Energiedissipationsdichten quantifiziert werden konnten. Erwartungsgemäß ist die Energiedissipationsdichte an den Stellen am höchsten, an denen sich durch Strömungen oder Wandeinflüsse hohe Schergradienten ausbilden. Demnach ist die Energiedissipationsdichte und deren Verteilung im Reaktorvolumen durch die Treibstrahlgeschwindigkeit und durch die geometrische Gestaltung signifikant zu beeinflussen. In weiteren experimentellen Untersuchungen kam der Strahlzonen-Schlaufenreaktor bei verschiedenen praxisrelevanten Reaktionen in einphasigen Systemen (Bromierung), zweiphasigen Systemen (Chlorierung) und mehrphasigen Systemen (Hydrierung) zur Anwendung, wobei eine signifikante Umsatzleistung im Vergleich zu anderen Reaktorsystemen bei gleichem volumenspezifischem Energieeintrag aufgezeigt werden konnte. Um diesen Effekt erklären zu können, wurde ein Modell entwickelt, in dem die lokalen Energiedissipations- und Konzentrationsverteilungen als wesentliche Einflussgrößen identifiziert wurden. Mit Hilfe der experimentell ermittelten Energiedissipationsverteilung im Strahlzonen-Schlaufenreaktor konnte mit den getroffenen Annahmen das Energiedissipations-Konzentrationsverteilungsmodell aufgestellt und gelöst werden. Durch dieses Modell wird der Einfluss von verschiedenen Parametern auf den Umsatz und die Selektivität chemischer Reaktionen deutlich. So kann hierdurch z.B. die bei der Bromierung von 1, 3, 5-Trimethoxybenzol im Strahlzonen-Schlaufenreaktor experimentell aufgezeigte Selektivitätssteigerung bei zunehmendem Energieeintrag erklärt werden. Um im Rahmen dieses Modells eine Übertragung auf andere Reaktorsysteme ermöglichen zu können, wurde eine neue Größe zur Charakterisierung von Reaktoren eingeführt. Mit Hilfe dieses Parameters wird eine Beschreibung hinsichtlich der sich einstellenden lokalen Energiedissipations- und Konzentrationsverteilung möglich und es kann der Einfluss der lokalen Verteilung der Energiedissipationsdichte auf den Umsatz chemischer Reaktionen erklärt werden.