Analyse von erzwungen periodischen Betriebsweisen chemischer Reaktoren am Beispiel der Methanolsynthese

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Achim Kienle; Dr.-Ing. Daliborka Nikolic Paunic; Professor Dr.-Ing. Andreas Seidel-Morgenstern
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 406561907

Das geplante Forschungsvorhaben beschäftigt sich mit der Entwicklung neuer Methoden und Werkzeuge zur rigorosen Bewertung erzwungener periodischer Betriebsweisen für chemische Reaktoren. Als Anwendungsbeispiel wurde in der ersten Förderphase die Methanolsynthese an industriellen Cu/ZnO/Al2O3 Katalysatoren in einem gradientenfreien isothermen Reaktor betrachtet. Es wurde theoretisch nachgewiesen, dass sich die Produktionsrate und Ausbeute durch eine periodische Prozessführung erheblich verbessern lassen. In der zweiten Förderphase sollen diese Resultate experimentell validiert sowie die theoretischen und experimentellen Untersuchungen auf nichtisotherme Festbettreaktoren erweitert werden. Temperatureffekte führen zu zusätzlichen Beschränkungen, bieten aber auch neue Freiheitsgrade für den erzwungen periodischen Reaktorbetrieb. Neben der Methanolsynthese, soll in Kooperation mit den Experten aus dem SPP auch die Methanisierung als zweites Anwendungsbeispiel angegangen werdenUm die gesteckten Ziele zu erreichen, ist die Expertise von Frau Dr. Nikolić-Paunić von der Universität Belgrad auf dem Gebiet der nichtlinearen Frequenzganganalyse unbedingt erforderlich. Frau Dr. Nikolić-Paunić hat wesentliche Beiträge zu diesem Projekt in der ersten Förderphase geleistet und ersetzt Frau Prof. Petkovska, die in den Ruhestand geht. Experimente für den gradientenfreien Reaktor werden in Magdeburg durchgeführt. Zusätzliche Experimente für einen Festbettreaktor werden am Fraunhofer Institut in Freiburg durchgeführt.Die nichtlineare Frequenzganganalyse wird zur schnellen Evaluierung unterschiedlicher Betriebskonzepte eingesetzt. Sie liefert außerdem gute Startwerte für eine weitergehende Optimierung. Allerdings basiert die Methode auf vereinfachenden Annahmen, so dass die Ergebnisse in einem zweiten Schritt mit Hilfe einer mathematischen Optimierung im Hinblick auf die geplante experimentelle Validierung verfeinert werden müssen. Dabei können insbesondere detaillierter Modelle, zusätzliche Freiheitsgrade sowie Beschränkungen des Versuchsaufbaus und der Betriebsbedingungen explizit berücksichtigt werden. Zu diesem Zwecke soll das in der ersten Förderphase entwickelte kinetische Modell der Methanolsynthese mit Hilfe der im SPP vorhandenen oberflächenchemischen Expertise weiter verbessert werden. Desweiteren müssen die Methodiken für die nichtlineare Frequenzganganalyse, die Parameteridentifikation und die numerische Optimierung grundlegend für die zur Beschreibung von Festbettreaktoren erforderlichen partiellen Differentialgleichungen erweitert werden. Die geplante experimentelle Demonstration des erzwungen periodischen Betriebs dient schließlich zur Validierung der entwickelten Methoden und Modelle sowie einer systematischen Evaluierung des Verbesserungspotentials und der praktischen Anwendbarkeit der entwickelten neuen dynamischen Betriebsweisen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2080: Katalysatoren und Reaktoren unter dynamischen Betriebsbedingungen für die Energiespeicherung und -wandlung
• Internationaler Bezug: Serbien