Zur Modellierung und Simulation gerührter Ein- und Mehrphasenreaktoren mit Zellennetzmodellen

Gerührte Reaktoren sind Standard-Kontaktapparate für mehrphasige Reaktionsführungen, deren Einsatzgebiet sich von chemischen Synthesen mit hoher Wärmetönung (Oxidationen, Hydrierungen, etc.) über die Kristallisations- bis hin zur Bioverfahrenstechnik erstreckt. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird ein Modell entwickelt, mit dem die vielfältigen Einsatzbereiche gerührter Ein- und Mehrphasenreaktoren beschrieben werden können. Als Grundlage dient ein »Mehrbereichs-Zellennetzmodell«, mit dem die vereinfachte Abbildung der einphasigen Strömung erreicht wird. Zur Modellierung mehrphasiger Prozessführungen werden sowohl die Eigenbewegung der dispersen Phase(n) als auch deren Wechselwirkungen mit dem Strömungsfeld der kontinuierlichen flüssigen Phase berücksichtigt. Im Rahmen einer Modellvalidierung und -analyse werden nicht-reaktive Strömungen untersucht. Der Einfluss einzelner Teilmodelle und Modellparameter auf die Simulationsergebnisse zum Homogenisieren, Begasen und Suspendieren wird im Vergleich zu veröffentlichten experimentellen Daten und numerischen Strömungssimulationen überprüft. Abschließend wird das Modell erfolgreich auf reaktive Strömungen angewendet. Als Beispiel wird zunächst eine feststoffkatalysierte Hydrierung gewählt. Für diesen dreiphasigen Prozess (g/l/s) wird die Abhängigkeit der Reaktorleistung von der Feststoff- und Gasverteilung diskutiert. Die Integration von Populationsbilanzen in Form von Momentengleichungen zur Beschreibung von Kristallisationsprozessen in den Gesamtkontext des Zellenmodells ermöglicht im zweiten Anwendungsbeispiel die simultane Betrachtung von Strömungs- und Partikelbildungsvorgängen.