Flow-through membrane microreactor for intensified heterogeneous catalysis

  • Durchströmter Membran-Mikroreaktor für intensivierte heterogene Katalyse

Westermann, Thomas; Melin, Thomas (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2009)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2009

Kurzfassung

Das Schlagwort Prozessintensivierung umfasst zahlreiche innovative Reaktortypen für heterogen katalysierte Reaktionen, wie z.B. Membranreaktoren, Mikroreaktoren und Monolithreaktoren. Der vorgestellte durchströmte katalytische Membranmikrokanalreaktor vereint Aspekte dieser drei Reaktortypen: Die Reaktanden strömen konvektiv durch die gleichförmigen katalytischen Kanäle einer keramischen Membran, deren Abmessungen im Bereich von Mikrometern und darunter liegen. Anodisierte Aluminiumoxidmembranen verfügen über gleichmäßige zylindrische Mikrokanäle mit sehr enger Porengrößenverteilung. Durch Einbringen von Palladium in die Membranporen entsteht ein Reaktor mit hoher katalytischer Aktivität, kombiniert mit extrem kurzen Kontaktzeiten und einer engen Verweilzeitverteilung. Eine direkte Messung der Verweilzeitverteilung ist aufgrund der Reaktorgeometrie nicht möglich, Abweichungen vom idealen Reaktorverhalten lassen sich aber mit Hilfe eines effektiven Dispersionsmodells quantifizieren, welches die Einflüsse von Porengrößenverteilung und axialer Dispersion in einem einzelnen Parameter berücksichtigt. Im Falle geringer axialer Dispersion, beispielsweise durch hohe Durchströmungsgeschwindigkeiten und Drücke, begrenzt die Porengrößenverteilung die minimal erreichbare effektive Dispersion. Aufgrund der geringen Reaktordimensionen ist in den Membranporen Konvektion immer klein gegenüber innerem Wärmeübergang zwischen Gas und Wand. Dies führt zu isothermem Reaktorverhalten mit identischer Gas- und Membrantemperatur selbst bei stark exothermen Reaktionen und einem Temperatursprung am Reaktoreingang. Reaktionsversuche bestätigen die hohe katalytische Aktivität des Membranmikrokanalreaktors verglichen mit einem katalytischen Festbett. Während die flache und dünne Membrangeometrie hohe Durchsätze bei minimaler Kontaktzeit ermöglicht, erweist sie sich als nachteilig bezüglich axialer Dispersion und verhindert einen Einsatz für selektive Folgereaktionen bei niedrigen Drücken. Bei hohen Drücken und in der Flüssigphase gilt diese Einschränkung nicht und das Reaktorverhalten kann als ideal bezeichnet werden.

Einrichtungen

  • Lehrstuhl für Chemische Verfahrenstechnik und Institut für Verfahrenstechnik [416110]

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