Umsatz- und Selektivitätsuntersuchung einer Blasenströmung am Beispiel der Toluoloxidation

Umsatz und Selektivität einer Blasenströmung werden durch die Kinetik des Reaktionsnetzwerkes, den Stoffübergang, die makroskopische Vermischung der Zweiphasenströmung und durch die mikroskopischen Vermischungsvorgänge im Nachlauf der Blasen beeinflusst. Um den Umsatz und die Produktselektivitäten in einem reaktiven Blasenschwarm mit guter Genauigkeit vorherzusagen, müssen die Raten aller relevanten Vorgänge aus möglichst unabhängigen Experimenten ermittelt werden. Die aus Experimenten oder detaillierten Simulatio-nen ermittelten Parameter oder Korrelationen gehen in ein Modell der Zweiphasenströmung ein, welche eine Vorhersage der zu erwartenden Produktbildung erlaubt. Im diesem Kontext sind am ICVT folgende Teilprojekte geplant.i) die Ermittlung einer makroskopischen Kinetik für eine technische Synthese mit Ra-dikalkettenmechanismus ohne Einfluss einer etwaigen Stofftransportlimitierung.In der laufenden Projektphase wurde eine Apparatur zur Messung der Kinetik unter homoge-nen Bedingungen aufgebaut und mit Erfolg betrieben. Die Auswertung der Messung ist bisher aufgrund der störanfälligen Analytik schwierig. Hier sind weitere Verbesserungen erforderlich. Die dann erarbeitete Kinetik soll der AK Rhezak und AK Hlawitschka für eine spätere Modellvalidierung zur Verfügung gestellt werden. Sobald verfügbar, soll eine portable Raman-Sonde aus dem AK Rinke für die online-Analyse getestet werden. ii) Experimente zur Validierung der Berechnungsmethodik zur Vorhersage von Umsatz und Selektivität in einer BlasenströmungDas Institut verfügt über einer Blasensäule, die bei erhöhtem Druck und Temperaturen be-trieben werden soll. Nach einer Anpassung der Peripherie soll zunächst das reaktive [Fe2(HPTB)Cl3]-Modellsystem der AK Schindler vermessen werden, anschließend die Toluo-loxidation. Die Messungen dienen der Validierung der Berechnungsmethodik im AK Rzehak und AK Hlawitschkaiii) Untersuchungen zum Einfluss der Mischung auf der Blasenskala auf die Produkt-selektivitäten Der Einfluss der Mischungsvorgänge auf der Blasenskala kann in makroskopischen Simula-tionen nur in Form von Korrelationen zur Korrekturen der Kinetik berücksichtigt werden. Um den Einfluss auf die Produktselektivität zu erfassen, soll eine vereinfachte Modellvorstellung erarbeitet werden. Hierbei soll untersucht werden, unter welchen Bedingungen diese not-wendig sind, und ggf. eine vereinfachte Berechnungsmethodik entwickelt werden, die es er-möglicht, Effekte der Mischung auf der Blasenskala in die makroskopische Berechnung zu integrieren. Wir kooperieren hier mit dem AK Marschall um vereinfachte und detaillierte Si-mulationen um eine Blase zu vergleichen. Ferner ist ein intensiver Austausch bezüglich der Methodik mit dem AK Hampel/Kryk vereinbart.

Universität Stuttgart
Institut für Chemische Verfahrenstechnik

Projektleiter
Prof. Dr.-Ing. Ulrich Nieken

Projektmitarbeiter
Sebastian Gast, M.Sc.

Exemplary determination and verification of reaction kinetics of a gas-liquid reaction

In the recent decade great progress in simulation of two-phase gas-liquid flow has been achieved. Whereas hydrodynamics and mass transfer can be calculated in great detail, there is still a great uncertainty concerning the quality of reaction kinetics necessary for quantitative predictions of the performance of bubble column or for the development of new types of equipment. This is especially true for industrially relevant gas-liquid reactions which often exhibit complex autocatalytic behavior. The aim of the first project period is the development of a detailed reaction mechanism for the industrial important oxidation of toluene to benzoic acid. The new approach combines theoretical and experimental methods in order to derive reaction pathways and rate expressions in great detail. In the first funding period a flexible reactor for kinetic experiments will be set up. The group of Prof. Zipse, LMU Munich, will predict the reaction pathways and the rate expressions using a quantum mechanical approach. These predictions will be compared with experimental results and improved by combination of theoretical methods with experimental investigations. Once a detailed mechanism has been established, which is able to represent experiments in a very wide range of conditions, the set of elementary reactions will be reduced to an 'effective' kinetic scheme, which is still sufficiently detailed for the prediction of reactions in two-phase flow. The newly-developed reaction mechanism will be used for the simulation of reactions in the vicinity of a single bubble by the group of Prof. Bothe, TU Darmstadt. Subsequently the calculations will be extended to reactions in bubble swarms by the group of Prof. Froehlich, TU Dresden. These simulations will then be compared with experimental results from our pilot plant bubble column in the second funding period. The flow regime can be varied from non-interacting bubbles to more turbulent types of flow by an increase of gas holdup.

Universität Stuttgart
Institut für Chemische Verfahrenstechnik

Project leader
Prof. Dr.-Ing. Ulrich Nieken

Project manager
Sebastian Gast, M.Sc.