Fluiddynamik, Stofftransport und chemische Reaktion der Suspensionskatalyse bei der Flüssig/flüssig-Pfropfenströmung in Mikrokanälen
Creators: name: Scheiff, Frederik
Publisher: name: Technische Universität Dortmund
Year: 2015
Subjects: subject: Mikroreaktor
subject: heterogene Katalyse
subject: Pfropfenströmung
subject: 660

description: 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.
description: Appreciable advances in microtechnology have been made over the last 20 years, driven by trends towards flexible production and shorter times-to-market. However, microfluidic technologies with solid particles have been neglected, due to the risk of clogging, empirical design of solid processing and the stochastic phenomena involved. This has largely excluded suspension catalysis from microfluidic applications, despite the unique features offered by liquid/liquid slug flow. Addition of a second liquid as catalyst carrier permits facile recovery of particles by liquid/liquid phase separation and use of smaller particles providing reduced film transport limitations. The widespread reservations have been proven unfounded, with employing a dosing unit prototype, adopting heuristics for safe particle handling in microchannels and with the help of CFD simulations. Particles of 1 - 160 μm at concentrations of up to 36 wt.-% were suspended successfully in μ-channels, indicating a wide operating window. Experimental, fluorescence-microscopic studies on fluid- and particle dynamics verified the complexity of internal circulation and particle segregation. Surprisingly, particles were found to segregate in the rear cap not only at low flow rates due to gravity, but also at elevated velocities, as a consequence of centrifugal and Saffman force. The impact of segregation on liquid/solid mass transfer has been quantified by means of ion exchange and numerical modelling. According to these findings, segregation results in unacceptable slow mass transfer. But higher mass transfer rates are accessible either by control of particle motion, resuspension measures like periodic wettability inversion or reduced particle diameter. The interaction of overall mass transfer and reaction has finally been elucidated with experimental and numerical analysis of a biphasic ester hydrolysis. Even fast reactions over 10 - 100 s were proven purely microkinetically controlled. Hence suspension slug flow catalysis is a capable concept with intensified mass transfer and useful as laboratory tool following the “batch-to-conti” paradigm.