Volumetric heat transfer: Investigations on reactor cooling by means of an integrated desorption process
Final Report Abstract
Eine Vielzahl der technisch relevanten, heterogen katalysierten Gasphasenreaktionen verläuft exotherm in Rohrreaktoren mit Katalysatorfestbett. Die entstehende Reaktionswärme erweist sich dabei oftmals als problematisch, da Umsatz und Selektivität der Reaktionen stark von der Temperatur abhängen und daher für den effizienten und sicheren Betrieb ein leistungsfähiges Kühlkonzept notwendig ist. Eine Übersicht gängiger Kühlkonzepte findet sich in [Aga99]. Als völlig neuartiges Konzept auf diesem Gebiet stellt sich die Desorptive Kühlung dar, die als ein Hybrid der regenerativen und reaktiven Kühlung angesehen werden kann. Dem Katalysatorfestbett werden Adsorbentien zugesetzt, die einen inerten Stoff adsorbieren. Während der exothermen Reaktion desorbiert das gebundene Inen und nimmt Wärme auf, wodurch die umgebenen Katalysatorpartikel intensiv gekühlt werden. Als wesentlicher Vorteil dieser volumetrischen Energieabfuhr zeigte sich im Rahmen dieses Forschungsprojekts, dass die Selektivität temperaturempfindlicher Reaktionen gezielt verbessert werden kann. Als Testsystem wurde hier die industriell relevante Hydrierung von Acetylen an einem kommerziellen Pd- Katalysator gewählt, welche sowohl das erwünschte Wertprodukt Ethylen als auch das unerwünschte Produkt Ethan liefert. Innerhalb eines Reaktionszeitraurns von 4000 Sekunden konnte die Selektivität bezüglich Ethylen im Vergleich zum ungekühlten Referenzfall bis zum Faktor 40,1 gesteigert werden. Nach Definition eines sinnvollen Abbruchkriteriums des Reaktionszyklus konnte ferner demonstriert werden, dass sich der wenige Sekunden andauernde Reaktionszyklus des ungekühlten Systems je nach Kühlstrategie auf bis zu 1230 Sekunden verlängern ließ. Die im Anschluss daran durchgeführte Bestimmung der Reaktionskinetik zeigte, dass die kinetischen Parameter in etwa denen der in der Literatur veröffentlichten entsprechen. Mit ihnen konnten die bisher verwendeten l D-Prozessmodelle zur Beschreibung desorptiver Kühleffekte in Festbettrohrreaktoren modifiziert werden, wodurch nun die akkurate Vorausberechnung des kompletten Prozessverhaltens möglich ist. Als weiterer Schwerpunkt wurde die Scale-up-Fähigkeit der neuen Kühlmethode anhand der Oxidation von CO evaluiert. Dazu wurde ein neuer Pilotreaktor mit einem Maßstab s Vergrößerungsfaktor von 3 gebaut und in Betrieb genommen. Die wärmetechnische Charakterisierung des Reaktors ergab, dass axiale und radiale Temperaturgradienten im Vergleich zum Laborreaktor infolge der geringeren Wärmeverluste deutlich minimiert werden konnten. Die im Anschluss durchgeführte reaktionstechnische Charakterisierung bestätigte die anhand der Laboranlage erhaltenen Parameter der Reaktions- und Desorptionskinetik. Ferner konnte die charakteristische Reaktionszykluszeit von ca. 3600 Sekunden auch im Pilotreaktor erzielt werden. Die vorhandenen l D- und 2D- Prozessmodelle wurden an die experimentell erhaltenen Ergebnisse angepasst werden und bilden die Grundlage für weitere Simulationsstudien, in denen der Gesamtzyklus von Reaktions- und Regenerationsphase optimiert wird. Auf diese Weise wurde ein simples Regelkonzept entwickelt, das über eine EinflussgrößenaufSchaltung die Durchschnittstemperatur des Reaktorfestbetts ermittelt und über einen Proportionalregler die Einspeisung des Inerts regelt, wodurch eine noch effizientere Nutzung der vorhandenen Kühlleistung sicher gestellt wird. Künftige Arbeiten werden sich weiter auf die Optimierung des Gesamtzyklusses sowie auf deren praktische Umsetzung im Pilotrnaßstab konzentrieren. Da im Falle der Acetylenhydrierung deutliche Selektivitätsverbesserungen erzielt wurden, wäre eine industrielle Umsetzung der desorptiven Kühlung vielversprechend. Dazu müsste jedoch eine weitere Optimierung des Systems, die im Rahmen dieses Forschungsprojekts nicht durchführbar war, vollzogen werden, um den Reaktionszyklus auf industriell relevante Zykluszeiten von einer Stunde und mehr zu verlängern. Mit den erstellten l D- und 2DModellen stehen mit Abschluss dieses Projekts leistungsfähige Werkzeuge für die Auslegung desorptiv gekühlter Reaktionssysteme zur Verfugung. Nachteilig erweist sich hier, dass die verwendeten Adsorbentien (Zeolith 3A) das eingesetzte Inert (Wasser) mit zunehmender Reaktionstemperatur nicht in nennenswerter Menge adsorbieren können, weshalb der Anwendungsbereich auf Temperaturen < 200°C limitiert ist. Da die meisten heterogen katalysierten Gasphasenreaktionen jedoch bei Temperaturen >200°C ablaufen, besteht weiterer Forschungsbedarf bei der Identifizierung neuer Stoffsysteme, die als Wärmesenke fungierend an eine exotherme Reaktion koppelbar sind.
Publications
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18. Deutsche Zeolith-Tagung: "Applications of zeolites in multifunctional reactor concepts", Hannover, 2006
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Chemie-Ingenieur-Technik: "Gezielte Temperaturregelung auf partikulärer Ebene durch Kopplung von Reaktion und Desorption - Teil 2", 2005
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Chemie-Ingenieur-Technik: "Gezielte Temperaturregelung auf partikulärer Ebene durch Kopplung von Reaktion und Desorption - Teil l", 2005
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Chemie-Ingenieur-Technik: "Prozessintensivierung in katalytischen Festbett- Reaktoren: Verbesserungen der Wärmeabfuhr durch Desorptive Kühlung", 2006
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CHEMREACTOR 17: "Desorptive cooling of fixed bed chemical reactors: a practical alternative to microreactors", Athen, 2006
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Dissertation: "Desorptive Kühlung chemischer Reaktoren: Untersuchungen zur Kopplung von Reaktions- und Desorptionsprozessen in katalytischen Festbetten", M. Richrath, 2006
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GVC Jahrestagung: "Prozessintensivierung in katalytischen Festbett- Reaktoren: Verbesserungen der Wärmeabfuhr durch Desorptive Kühlung", Wiesbaden, 2006
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USPC-5: "Desorptive cooling of fixed bed chemical reactors: a practical alternative to microreactors", Kyoto 2006
