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要旨:
Die Idee der verteilten Eduktzufuhr zur Steigerung der Selektivität und Ausbeute von Zwischenprodukten in partiellen Oxidationen hat im letzten Jahrzehnt zu intensiven experimentellen und theoretischen Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der Membranreaktoren geführt [1]. Die theoretischen Untersuchungen haben sich dabei überwiegend auf die Verwendung von vereinfachten eindimensionalen numerischen Simulationen beschränkt [2,3,4]. Diese Modelle ermöglichen schnelle, quantitative Analysen für Reaktoren in labortechnischem Maßstab und können mit ausreichender Genauigkeit auch qualitative Tendenzen für größere Anlagen voraussagen. Ein tieferes Verständnis von Membranreaktoren erfordert jedoch Kenntnisse über den Einfluss radialer Porositäts-, Temperatur- und Konzentrationsprofile. Mit zweidimensionalen Reaktormodellen können diese Effekte aufgelöst werden.
In diesem Beitrag werden Ergebnisse von Simulationsrechnungen unter Verwendung von zweidimensionalen pseudohomogenen Festbett-Membranreaktormodellen verschiedener Detailliertheit vorgestellt. Als Beispielreaktion wurde, die bereits in früheren experimentellen Arbeiten betrachtete oxidative Dehydrierung von Ethan zu Ethylen gewählt. Die Beschreibung der Reaktionskinetik erfolgte mit Langmuir-Hinshelwood-Ansätzen [5]. Die zu Grunde gelegten Reaktorgeometrien entsprechen sowohl einem labortechnischen (di =7 mm, l = 60 mm) als auch einem kleintechnischen Maßstab (di = 21 mm, l = 105 mm).
Die formulierten Modelle wurden in das Modellierungswerkzeug Femlab 3.1 implementiert und mittels Finite Elemente Methode gelöst.
Untersucht wurde unter anderem der Einfluss der gestellten Randbedingungen mit dem Ziel einer möglichen Modellvereinfachung. Hierbei wurde zunächst ein komplettes Reaktormodell simuliert, wobei Momenten-, Stoff- und Energiebilanz für alle drei Reaktorsegmente (Tube-side, Membran, Shell-side, siehe Abb. 1a) gelöst wurden. Zur Beschreibung der Transportvorgänge in der Membran wurden sowohl das Fickische als auch das Maxwell-Stefan Diffusionsmodell benutzt. Die Reibungskräfte in der Katalysatorschüttung und in den porösen Strukturen der Membran wurden in der Navier-Stokes-, bzw. Brinkmann-Gleichung mitberücksichtigt. Wärme- und Stofftransportparameter wurden nach Standard Korrelationen aus der Literatur kalkuliert [6]. Dieses relativ detaillierte Modell wurde dann mit einem vereinfachten 2D-Modell (Abb. 1b) verglichen, bei dem nur die Rohrseite (Tube-side) mit der Katalysatorschüttung berechnet und der Transport durch die Membran in den Randbedingungen vereinfacht behandelt wurde. Die Ergebnisse zeigen, dass
diese vereinfachte Beschreibung des Reaktors in Abhängigkeit der Membranund Betriebsparameter möglich und in Anbetracht des Rechenaufwands durchaus sinnvoll ist.
Ferner wurden auch Effekte der interpartikulären Limitierungen des Sauerstofftransportes in der Schüttung, der Partikelgröße, und die der radialen Porositätsverteilung auf die Reaktorperformance untersucht.
Literatur:
[1] A. G. Dixon, Int. J. Chem. React. Eng., (2003), Vol.1, R.6
[2] Diakov, Blackwell & Varma, Chem. Eng. Sci., 57 (2002), 1563 – 1569
[3] C. Tellez et al. Chem. Eng. Sci., 54 (1999), 2917 -2925
[4] C. Hamel et al., Chem. Eng. Sci., 58 (2003), 4483-4492
[5] F. Klose et al., Appl. Catal. A – Gen., 260/1 (2004), 101-110
[6] VDI-Wärmeatlas, Springer, Berlin, (2002)
