Experimental and Numerical lnvestigation of Competitive Chemical Reactions on Different Scales in Milli Reactors
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Beschreibung
Kontinuierlich betriebene modulare Anlagen ermöglichen effizientere und umweltfreundlichere chemische Prozesse, da sie in genau definierbaren Prozessfenstern betrieben werden können und neue Syntheserouten ermöglichen. In der chemischen Industrie werden kontinuierlich betriebene Prozesse trotz der Vorteile nur selten großtechnischen Batch-Prozessen vorgezogen, da das detaillierte Verständnis der Mikrovermischgung und der Selektivität chemischer Reaktionen in laminaren Strömungsregimen bisher fehlt. In dieser Arbeit werden numerische und experimentelle Methoden zur Quantifizierung der Mikrovermischung und ihres Einflusses auf die Selektivität von kompetitiven chemischen Reaktionen untersucht und präsentiert.
Die Transporteigenschaften eines flüssig-flüssig-Mischproblems mit chemischen Reaktionsnetzwerken in laminarer Strömung werden durch experimentelle und numerische Methoden untersucht. Ein modularer Split-and-Recombine (SAR) Mischer wird als Referenzgeometrie verwendet. Zunächst werden direkte numerische Simulationen (DNS) für eine Reihe von Reynolds- und Schmidtzahlen (1≤Re≤400, 1≤Sc≤3600) durchgeführt, um die Auflösung der Längenskalen der Mikrovermischung zu bestimmen. Die Validierung wird anhand zweier experimenteller Ansätze erreicht. Konfokale Laserscanning-Mikroskopie (CLSM) löst dreidimensionale Konzentrations- und pH-Verteilungen einer Säure-Base-Reaktion auf. Des Weiteren werden zweidimensionale Edukt- und Produktkonzentrationsfelder simultan mithilfe der bildgebenden UV-Vis-Spektroskopie aufgenommen. Als nächstes wird das Villermaux-Dushman-Protokoll (VD-Protokoll) mittels CFD-Simulationen, experimentellen Methoden und Mikromischmodellen detailliert untersucht. Das VD-Protokoll ist eine weit verbreitete Methode, um Mikrovermischung in Mischprozessen in wässriger Lösung zu quantifizieren. Das Mikromischmodell (Inkorporationsmodell) wird genutzt, um die global gemessene Selektivität einer Mikromischzeit des Mischers zuzuordnen. Die lokalen Konzentrationsfelder aus der bildgebenden UV-Vis-Spektroskopie heben die Bedeutung lokaler Strömungsphänomene im Mischprozess hervor, welche nicht durch das eindimensionale Mikromischmodell dargestellt werden können. Abschließend werden die entwickelten Methoden auf ein Nitrosyl Eisenkomplex-Reaktionssystem (NIC) in organischer Lösung übertragen, welches die direkte Messung lokaler Selektivitätsverteilungen durch die bildgebende UV-Vis-Spektroskopie ermöglicht. Das Mikromischmodell des neuen Reaktionssystems wird durch die Mikromischzeiten des Villermaux-Dushman-Protokolls validiert. Der untersuchte SAR-Mischer weist eine breite Verteilung der lokalen Selektivitäten und Mikromischzeiten auf. Das unerwünschte Reaktionsprodukt tritt fast ausschließlich bei lokalen Mischzeiten oberhalb der globalen Mikromischzeit auf.
Die in dieser Arbeit angewandten Ansätze zeichnen ein detailliertes Bild der Mikrovermischung im modularen SAR-Mischer. Die lokal aufgelösten Selektivitäts- und Mikromischzeitverteilungen zeigen mehrere Ansatzpunkte in der Mischeroptimierung auf. Die detaillierte Kenntnis der lokalen Mischungsphänomene ist von wesentlicher Bedeutung für die Vorhersage von Selektivitäten und damit für die Auslegung effizienter kontinuierlicher Prozesse, die in der Lage sind, bestehende Batch-Prozesse zu ersetzen.
Autor*in
Torben Frey
Themen in »Experimental and Numerical lnvestigation of Competitive Chemical Reactions on Different Scales in Milli Reactors«
Reaktives Mischen, Mikromischen, kompetitive Reaktionen Villermaux-Dushmann-Protokoll, Nitrosyl-Eisen-Komplex, Fluorescein Bromothymolblau, Mikromischmodell, Inkorporationsmodell, CFD-Simulation, bildgebende UV/Vis-Spektroskopie micro mixing model incorporation model CFD simulation imaging UV-Vis spectroscopy reactive mixing micro mixing competitive reactions Villermaux-Dushman protocol itrosyl iron complex fluorescein bromothymol blue UV-Vis spectroscopy