Liquid processing in Rotating Packed Beds

Abstract

Rotating Packed Beds (RPBs) are one of the most promising concepts for intensified modular equipment in the chemical industry. Based on flexible design and by means of centrifugal force, their operation can be adjusted according to the respective process requirements. Despite the large potential of RPBs, many years of research, and although RPBs have been successfully applied to numerous processes on a pilot scale, their industrial implementation is still scarce. One of the key reasons is that the technology is often considered insufficiently mature, with a particular lack of knowledge in the field of liquid processing. Therefore, liquid processing in RPBs is investigated experimentally and analytically in this thesis, with respect to liquid phase reactive mixing, liquid-liquid extraction, and liquid-gas processing, in order to further develop the current RPB technology. The applicability of RPBs to these different processes is critically studied and rules of RPB design and operation are deduced. On this account, the current state of the art is analyzed, and the available methodology is adapted to RPBs. In experimental investigations, the role and importance of liquid distribution design, packing design, and residence time distribution in the apparatus are elucidated. These investigations are complemented by modeling results and a comparison to conventional devices and processes for each respective application. It is shown that RPBs are especially capable of providing fast liquid processing at high liquid flow rates and high viscosities and offer more operational degrees of freedom than their conventional counterparts. However, their utilization is also restricted based on limitations in the current design. Therefore, guidelines and recommendations for preferable RPB operation, RPB design, and the most reasonable industrial implementation of RPBs are presented, together with an alternative apparatus design.

Rotierende Stoffaustauschmaschinen (Rotating Packed Beds, RPBs) sind eines der vielversprechendsten Konzepte für intensiviertes und modulares Equipment in der chemischen Industrie. Ihr Betrieb kann auf Grundlage eines flexiblen Aufbaus and mithilfe von Zentrifugalkräften an die jeweiligen Prozessanforderung angepasst werden. Trotz des großen Potentials von RPBs, langjähriger Forschungsbemühungen und obwohl RPBs im Pilotmaßstab bereits erfolgreich in vielen Prozessen Anwendung finden, ist eine industrielle Verwendung noch selten. Eine der Hauptursachen ist die verbreitete Einstufung als nicht hinreichend ausgereifte Technologie. Eine besonders gravierende Wissenslücke besteht dabei noch bei Prozessen in der Flüssigphase. Aus diesem Grund wird die Flüssigkeitsverarbeitung in RPBs in dieser Arbeit experimentell und analytisch untersucht, um die derzeitige RPB Technologie weiterzuentwickeln. Dies geschieht im Hinblick auf reaktive Flüssig-Flüssig- Mischungsprozesse, Flüssig-Flüssig-Extraktionsprozesse und Flüssig-Gas-Prozesse. Die Möglichkeit RPBs für diese unterschiedlichen Prozesse zu verwenden wird kritisch untersucht und Richtlinien zu Auslegung und Betrieb von RPBs werden abgeleitet. Zu diesem Zweck wird der derzeitige Stand der Technik analysiert und die verfügbare Methodik für Untersuchung in RPBs angepasst. Die Bedeutung von Flüssigkeitsverteilung, Packungsgestaltung, und Verweilzeitverteilung werden auf Basis experimenteller Ergebnisse erläutert. Zusätzlich werden Modellierungsergebnisse vorgestellt und Vergleiche zu konventionellen Apparaten und Prozessen auf dem jeweiligen Gebiet gezogen. Dabei wird gezeigt, dass sich RPBs insbesondere zur Verarbeitung von großen Flüssigkeitsströmen eignen und mehr operative Freiheitsgrade bieten als konventionelle Apparate. Nichtsdestotrotz bleibt ihre Anwendung auf Grundlage derzeitiger Designeigenheiten eingeschränkt. Aus diesem Grund werden Empfehlungen für den Betrieb und die Auslegung von RPBs, sowie die sinnvolle industrielle Anwendung von RPBs, präsentiert, ergänzt durch die Vorstellung eines alternativen Gerätedesigns.