Fluiddynamik, Stofftransport und chemische Reaktion der Suspensionskatalyse bei der Flüssig/flüssig-Pfropfenströmung in Mikrokanälen

摘要

Die Trends in der chemischen Industrie hin zu flexiblen Prozessen und kürzeren Prozessentwicklungszeiten haben in den zurückliegenden 20 Jahren zur intensiven Erforschung der Mikroreaktionstechnik geführt. Allerdings wurden feststoffbasierte Prozesse mit Blick auf die mögliche Mikrokanalblockierung und die häufig immer noch heuristische Auslegung kaum erforscht. Das betrifft auch die Suspensionskatalyse in Mikroreaktoren, obwohl sie speziell in der Flüssig/flüssig-Pfropfenströmung aussichtsreich erscheint. Durch Zugabe einer zweiten, nicht mischbaren Katalysatorträgerflüssigkeit könnte die Katalysatorpartikelgröße gegenüber der konventionellen Suspensionskatalyse auf beispielsweise 1 μm reduziert werden, da sich die Partikelrückgewinnung dann auf eine Flüssig/flüssig-Phasentrennung reduzieren lässt. Damit könnten die sonst üblichen Filmtransportlimitierungen aufgehoben werden.Die weitverbreiteten Vorbehalte wurden ausgeräumt, indem ein Prototyp zur Partikeldosierung, Heuristiken zum ablagerungsfreien Design und die Katalysator-rückgewinnung experimentell sowie mit CFD-Simulationen entwickelt wurden. Mit sicher handhabbaren Partikelgrößen von 1 - 160 μm und Beladungen von bis zu 36 Gew.-% ist der Aufbau hochflexibel einsetzbar.Die experimentelle, fluoreszenzmikroskopische Strömungsanalyse lieferte neue Einblicke in die komplexen Wirbelmuster und Partikelbewegung. Neben der schwerkraftbedingten Partikelakkumulation im hinteren Subwirbel bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten, wurde ein neuer Segregationseffekt durch Zentrifugal- und Saffman-Kraft bei hohen Geschwindigkeiten nachgewiesen und aufgeklärt.Die Auswirkung der Segregation auf den Flüssig/fest-Stofftransport, quantifiziert durch Ionenaustauschexperimente und numerische Simulation, waren nicht in Kauf zu nehmen. Nur bei exakter Kontrolle der Partikelbewegung, Anwendung von Resuspendierungs-maßnahmen wie dem periodischen Benetzungswechsel oder reduziertem Partikel-durchmesser war die Stofftransportleistung konkurrenzfähig.Die Wechselwirkung zwischen Gesamtstofftransport und Reaktion wurde aber abschließend experimentell und modellbasiert am Beispiel zweiphasiger Esterhydrolysen analysiert. Da selbst schnelle Reaktionen auf 10 - 100 s Skala in der Suspensionspfropfenströmung rein mikrokinetisch kontrolliert sind, erschließt dieses Mikroreaktorkonzept Bereiche intensivierter Reaktionsführung, die mit konventionellen Laborapparaten oder konventioneller Suspensionskatalyse nicht möglich sind.