Kontrollierte Eduktzufuhr in Membranreaktoren zur Optimierung der Ausbeute gewünschter Produkte in Parallel- und Folgereaktionen

In dieser Arbeit wurde die optimale Dosierung eines Eduktes entlang von Rohrreaktoren mit dem Ziel der Ausbeutemaximierung eines Zielproduktes sowohl theoretisch als auch experimentell untersucht.
Ausgehend von einem isothermen und isobaren Plug-Flow-Reaktormodell zur Beschreibung einer Reihenschaltung von L Rohrreaktoren mit einer diskreten Eduktzugabe am Eintritt jeder Stufe und/oder einer verteilten Dosierung über die Reaktorwände innerhalb der einzelnen Stufen wurden zunächst optimale Edukteinspeisungen theoretisch mit Hilfe von analytischen Lösungen für ausgewählte Spezialfälle, mit dem Maximumprinzip sowie mit einem SQP-Algorithmus analysiert.
Für die experimentellen Untersuchungen hinsichtlich der verteilten Eduktzufuhr wurden ein einstufiger Membranreaktor zur gleichmäßigen Eduktdosierung sowie eine Reihenschaltung bestehend aus 3 Membranreaktoren zur Einstellung von unterschiedlichen Dosierprofilen aufgebaut. Zur Eduktverteilung wurden in den einzelnen Membranreaktoren rohrförmige asymmetrische Keramikmembranen mit einer abschließenden γ -Al₂O₃-Schicht eingesetzt. Als Modellreaktion wurde die oxidative Dehydrierung von Ethan zu Ethylen unter Verwendung eines VO₊x/γ -Al₂O₃-Katalysators gewählt. Mit Hilfe der Membranreaktorkonfigurationen konnten die Auswirkungen der Sauerstoffverteilung entlang des Reaktors auf die Selektivität des gewünschten Produktes Ethylen und auf den Umsatz des am Reaktoreintritt zugeleiteten Eduktes Ethan eindeutig demonstriert und erläutert werden.