Fluiddynamik und Stofftransport der Gas-Flüssig-Flüssig-Pfropfenströmung in Mikrokanälen

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wird die Gas-Flüssig-Flüssig-Pfropfenströmung als neues Mikroreaktorkonzept untersucht. Der Fokus liegt dabei auf der Nutzung des Kapillarreaktors für heterogen katalysierte Reaktionen mit in der Pfropfenströmung suspendiertem Katalysator. Zur Erzeugung der dreiphasigen Strömung wurde mit dem doppelten koaxialen Kontaktor ein neues Konzept entwickelt, welches den Strömungsbereich mit ähnlichen Phasenanteilen erschließt und dabei eine regelmäßige Pfropfenstruktur mit geringen Schwankungen in der Pfropfengröße aufweist. Mit der Entwicklung von miniaturisierten Membranelektrolysezellen wurde eine Möglichkeit zur pulsationsfreien Gaserzeugung entwickelt. Neben der Strömungserzeugung konnte auch eine Voraussage wichtiger Parameter wie Strömungsgeschwindigkeit, Druckverlust und Aufbau der Pfropfenströmung erreicht werden. Der Übergang von einer Pfropfenströmung mit Wandfilm zu einer Blockströmung ohne Wandfilm wurde für zwei- und dreiphasige Systeme untersucht und daraus Kriterien für die dreiphasige Strömung entwickelt, welche eine Voraussage der Wandfilmausbildung erlauben. Durch eine Modellierung einer heterogen katalysierten Konsekutivreaktion im dreiphasigen Suspensions-Kapillarreaktor und im Batchreaktor konnte gezeigt werden, dass der dreiphasige Suspensions-Kapillarreaktor eine dem Batchreaktor ähnliche Selektivität und Ausbeute ermöglicht und somit die Vorteile von Batchprozess und kontinuierlichem Betrieb kombiniert.