Oxidation of n-butane to maleic anhydride in a milli-structured fixed-bed reactor

• Applicants: Professor Dr.-Ing. Gunther Brenner; Professor Dr.-Ing. Thomas Turek
• Subject Area: Chemical and Thermal Process Engineering ; Fluid Mechanics ; Technical Chemistry
• Term: from 2013 to 2015
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 229601517

• Final Report Year: 2016

Final Report Abstract

In diesem Projekt wurde das Potenzial von mikro- und illistrukturieren Festbettreaktoren zur Prozessintensivierung an Hand der selektiven Butan-Oxidation untersucht. Die wesentlichen Ziele waren dabei die Bestimmung des Druckverlustes und des Dispersionsverhaltens in mit unregelmäßig geformten Katalysatorpartikeln gepackten schlitzförmigen Kanälen sowie die Durchführung erster Reaktionsversuche zur Butanoxidation zu Maleinsäurenahydrid. Es wurde gezeigt, dass der Druckverlust an Kugelschüttungen, die zu Vergleichszwecken verwendet wurden, in den rechteckigen Kanälen in guter Näherung mit vorhandenen Korrelationen aus der Literatur, welche das Verhältnis von Katalysatorund Kanalabmessungen berücksichtigen, vorhergesagt werden kann. Bei Verwendung von Schüttungen mit nicht-sphärischen Katalysatorpartikeln muss zur Auswertung der Ergebnisse statt des Sauterdurchmessers das Produkt aus Partikelsphärizität und volumengleichem Kugeldurchmesser verwendet werden. Dadurch kann eine Beschreibung der Messergebnisse mit guter Genauigkeit erreicht werden. Zusätzliche Versuche zum Dispersionsverhalten der millistrukturierten Reaktoren zeigten, dass sich die vereinfachende Annahme einer Pfropfströmung rechtfertigen lässt. In dem gewählten Betriebsbereich der Reaktoren hat die verwendete Partikelgröße nur einen geringen Einfluss auf die Dispersion. Erste Versuche zur Butan-Oxidation in millistrukturierten Reaktoren konnten durchgeführt werden. Die Erwartungen hinsichtlich einer möglichst isothermen Reaktionsführung bei nennenswerten Umsatzgraden konnten bereits vollumfänglich bestätigt werden. Auch die Übereinstimmung zwischen den bisherigen Messungen und den durchgeführten Reaktorsimulationen ist angesichts der noch nicht erfolgten Anpassung der kinetischen Parameter bereits sehr zufriedenstellend. Systematische Versuche zur selektiven Oxidation bei Variation der relevanten Reaktionsbedingungen (Schlitzbreite des Reaktors, Partikelgröße des Katalysators, Temperatur, Butankonzentration) sowie rechnerische Betrachtungen zum Scale-up und zur Optimierung der Reaktor- und Katalysatorabmessungen können somit im Anschluss durchgeführt werden.

Publications

• Pressure drop study of packed beds in micro channels using irregularly shaped particles. ESCRE, Fürstenfeldbruck, 27. - 30. Oktober 2015
  S. Hofmann, G. Brenner, G. Mestl, T. Turek
  
• Experimentelle Bestimmung von Druckverlust und Verweilzeitverhalten in einem mikrostrukturierten Festbett-Reaktor. Jahrestreffen Reaktionstechnik 2016, Würzburg, 02. - 04. Mai 2016
  S. Hofmann, S. Brandt, T. Turek
  
• Pressure drop study on packings of differently shaped particles in milli-structured channels. Chemical Engineering Science Volume 155, 22 November 2016, Pages 376-385
  S. Hofmann, A. Bufe, G. Brenner, T. Turek