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          Institute: MPI für Dynamik komplexer technischer Systeme     Collection: Physical and Chemical Foundations of Process Engineering     Display Documents



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ID: 258375.0, MPI für Dynamik komplexer technischer Systeme / Physical and Chemical Foundations of Process Engineering
Möglichkeiten und Grenzen des Einsatzes von Membranreaktoren in der katalytischen Oxidation von Kohlenwasserstoffen
Authors:Klose, F.; Wolff, T.; Hamel, C.; Tota, A.; Seidel-Morgenstern, A.; Chalakov, L.; Rihko-Struckmann, L.; Sundmacher, K.; Peglow, M.; Ahchieva, D.; Heinrich, S.; Mörl, L.; Weiß, H.
Language:German
Name of Conference/Meeting:XXXIX. Jahrestreffen Deutscher Katalytiker
Place of Conference/Meeting:Weimar, Germany
(Start) Date of Conference/Meeting
 (YYYY-MM-DD):
2006-03-15
End Date of Conference/Meeting 
 (YYYY-MM-DD):
2006-03-17
 Invitation status:contributed
Audience:Experts Only
Abstract / Description:Membranreaktoren können erfolgreich zur Selektivitätssteigerung bei der Selektivoxidation von Kohlenwasserstoffen eingesetzt werden. Der Effekt besteht in einer entlang des Katalysatorbetts verteilten Zugabe von Sauerstoff, so dass durch dessen niedrigere örtliche Konzentration die ungewünschte Totaloxidation zurückgedrängt wird. In der Literatur sind unterschiedlichste Membranreaktorkonfigurationen bezüglich der Art des Sauerstofftransports durch die Membran (durch Konvektion/Diffusion oder elektrochemisch) und der Anordnung des Katalysators (Festbett oder in die Membran eingebracht) beschrieben worden [1-3].
In diesem Beitrag sollen verschiedene Membranreaktoren im Vergleich zum konventionellen stationären Festbettreaktor (FBR) anhand der oxidativen Dehydrierung von Ethan an geträgertem Vanadiumoxid verglichen werden. Dabei handelt es sich um folgende Membranreaktorkonfigurationen: Katalytischer Membranreaktor (CMR), Elektrochemischer Membranreaktor (ECMR), Festbett-Membranreaktor (PBMR) [4], Elektrochemischer Festbett-Membranreaktor (EC-PBMR) und Wirbelschicht-Membranreaktor (FLBMR) [5].
Die in Abb1. dargestellten Ergebnisse zeigen, dass, unabhängig vom Mechanismus des Sauerstofftransports durch die Membran, für die Reaktoren mit katalytisch aktivierten Membranen (CMR, ECMR) keine befriedigenden Ergebnisse erhalten werden. Dies ist der zu geringen effektiven Oberfläche der katalytischen Schicht geschuldet. Deren Vergrößerung ist jedoch mit einer Erhöhung des Transportwiderstandes für den Sauerstoff verbunden. Der Einsatz katalytischer Membranen ist daher nur dann erfolgreich, wenn sich die für die Reaktion notwendige Katalysatoroberfläche auf wenige m²/g beschränkt.
Wesentlich günstiger stellt sich die Situation für jene Membranreaktoren dar, bei denen ein partikulärer Katalysator mit großer spezifischer Oberfläche eingesetzt wird. Hier kommen die Vorteile der örtlich verteilten Sauerstoffzufuhr voll zum Tragen, sowohl beim PBMR als auch beim FLBMR kann die Ethylenausbeute um den Faktor 1,5 gesteigert werden. Bei PBMR spielen dabei Konzentrations- und Verweilzeiteffekte zusammen [4], im FLBMR begünstigt der intensive Wärmeaustausch zwischen Katalysator und Gasphase die Ethylenbildung [5]. Auch der EC-PBMR zeigt höhere Ethylenausbeuten als die katalytischen Membranreaktoren, wenngleich hier noch Bedarf an einer Optimierung der Betriebsbedingungen besteht.
Bei der Auslegung von PBMR und FLBMR muss jedoch ein ausreichender Druckverlust über die Membran gewährleistet sein, um eine Diffusion des Kohlenwasserstoffs auf die Sauerstoffseite zu unterbinden. Abb. 2 illustriert dies am Beispiel des PBMR. An den gemessenen Umsatzdaten zeigt sich, dass bei zu niedrigem Druckverlust über die Membran der Vorteil der verteilten Sauerstoffdosierung verloren geht. Die an der kleintechnischen FLBMR-Anlage erhaltenen Daten lassen jedoch den Schluss zu, dass bei ausreichend großen Flussraten sogar makroporöse Sintermetallmembranen einen ausreichenden Druckverlust generieren und somit die von Laboranlagen bekannten Dichtungsprobleme umgangen werden können.
Die höchsten Ethylenausbeuten sollten dann erhalten werden, wenn der Sauerstoff so dosiert wird, dass er gerade vollständig verbraucht wird. Eine zu geringe Sauerstoffzufuhr führt zu einer Reduktion des Katalysators, so dass durch den Rückgang der Zahl der zur Ethanaktivierung notwenigen V(V)-Spezies der Umsatz sinkt. Bei optimaler Sauerstoffzufuhr können im PBMR und FLBMR hohe Umsätze bei einer Produktverteilung nahe den Initialselektivitäten erreicht werden.

Referenzen:
[1] A. G. Dixon, Int. J. Chem. Reactor Eng. 1 (2003), 1-35 (Review R6)
[2] J. Coronas, J. Santamara, Catal. Today (1999), 377-389
[3] G. Saracco, H., W. J. P. Neomagus, G. F. Versteeg, W. P. M. Swaaij, Chem. Eng. Sci., 54 (1999), 1997-2018
[4] F. Klose, T. Wolff, S. Thomas, A. Seidel-Morgenstern, Appl. Catal. A: General 257 (2004), 193-199
[5] D. Ahchieva, M. Peglow, St. Heinrich, L. Mörl, T. Wolff, F. Klose, “Oxidative dehydrogenation of ethane in a fluidized bed membrane reactor”, Appl. Catal. A: General, in press, available online
Document Type:Talk at Event
Communicated by:Andreas Seidel-Morgenstern
Affiliations:MPI für Dynamik komplexer technischer Systeme/Process Synthesis and Process Dynamics
MPI für Dynamik komplexer technischer Systeme/Physical and Chemical Foundations of Process Engineering
MPI für Dynamik komplexer technischer Systeme/Physical and Chemical Process Engineering
External Affiliations:Institut für Automatisierungstechnik, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Universitätsplatz 2, 39106 Magdeburg, Germany

Institut für Verfahrenstechnik, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Universitätsplatz 2, 39106 Magdeburg, Germany

Institut für Apparate- und Umwelttechnik, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Universitätsplatz 2, 39106 Magdeburg, Germany

Institut für Chemie, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Universitätsplatz 2, 39106 Magdeburg, Germany
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