Kontrolle und Intensivierung von Reaktionen durch Einsatz zyklisch betriebener Distributoren

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christof Hamel; Professor Dr.-Ing. Andreas Seidel-Morgenstern
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 382737264

Ziel des Projektes ist die Steigerung der Ausbeute von gewünschten Olefinen durch verteilte Reaktantendosierung mittels Membrandistributoren. In einem zyklisch betriebenen Distributor wird die oxidative (ODH) und die thermische Dehydrierung (TDH) von Propan zu Propen betrachtet. Mit Hilfe eines integrierten Reaktorkonzepts sollen maximale Synergieeffekte durch stoffliche/energetische Kopplung (autothermer Betrieb) modellbasiert untersucht und experimentell bewertet werden. Die bei der TDH ablaufende Katalysatordeaktivierung wird dabei konkret mit Hilfe des zyklischen Distributorbetriebes kompensiert, da der Reaktor/Katalysator in jeder Phase vollständig genutzt wird. Hierzu wird der transmembraner Sauerstoffstrom, temporär der Katalysatoraktivität modellbasiert angepasst. Die Kontrolle der Temperatur und Geschwindigkeit der Reaktionsfronten im Distributor kann durch verteilte Dosierung effizient gestaltet werden. Vor diesem Hintergrund werden modellgestützte Untersuchungen (1D/2D) auf Grundlage kinetischer Modellbildungen durch transiente Modellierung/Simulation der zu untersuchenden Reaktorkonfigurationen (insbesondere 2D) in den AP 1-3 durchgeführt. So konnten die komplexen Temperatur- und Konzentrationsfelder abgebildet und optimale Dosierprofile identifiziert und bewertet werden. Über die ursprünglich geplanten Arbeiten hinausgehend wurde mit stärkerem Fokus die Deaktivierung/Regeneration der Katalysatoren experimentell mittels Thermogravimetrie und in segmentierten Laborfestbettreaktoren quantifiziert und mathematisch beschrieben. Weiterhin wurde mittels detaillierter 2D-Modelle und unterschiedlicher Wärmetransportansätze der Einfluss von Partikelgröße und Porositätsverteilung bei radialer Dosierung im Hinblick auf das Up-Scaling untersucht und evaluiert.Die Projektbearbeitung wurde trotz planungskonformen Verlaufs durch mehrere unvorhersehbare Faktoren (Präambel) u.a. durch den Corona-Shutdown der Werkstätten/ Technikum verzögert, so dass die letzten, wichtigen experimentellen Arbeitspakete (AP 4-5) noch nicht begonnen werden konnten. Diese AP zielen insbesondere auf die abschließend geplante Realisierung der entwickelten zyklisch betriebenen Distributoren mit stofflicher/ energetischer Kopplung im Pilotmaßstab. Ihnen kommt für den erfolgreichen Gesamtabschluss des Projekts eine essentielle Rolle in Form der experimentellen Validierung der bisher erhaltenen vielversprechenden Simulationsergebnisse im Pilotmaßstab zu. Ein Beleg für den bisher erfolgreichen Projektverlauf sind 9 Beiträge für nationale/internationale Konferenzen (1 Posterpreis) und eine erste erschienene Publikation („Analysis of Membrane Reactors for Integrated Coupling of Oxidative and Thermal Dehydrogenation of Propane”). 2 weitere Publikationen sind in Vorbereitung.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen