Institut für Thermische Verfahrenstechnik

Einfluss der Vermischung auf chemische Reaktionen im Taylor-Couette Reaktor

Ein Taylor- Couette Reaktor (TCR) besteht aus zwei konzentrisch zueinander gelagerte Zylindern von denen mindestens einer in Rotation versetzt wird. Der entstehende Ringspalt zwischen den Zylindern definiert dabei das Reaktionsvolumen. In den häufigsten Anwendungsfällen rotiert der innere Zylinder eines TCR und der äußere ist starr. In Abhängigkeit der Rotationsgeschwindigkeit durchläuft ein sich im Ringspalt befindendes Reaktionsgemisch, verschiedene Strömungsformen (s. Abb. 2). Durch die Rotation entstehen beispielsweise torusförmige Wirbel, die Taylor-Wirbel (s. Abb. 1).

 


Abb. 1: Schematische Darstellung des Taylor-Couette Reaktors; Darstellung der entstehenden Taylor-Wirbel mittels LIF ( Laser-Induzierte Fluoreszenz) Abb. 2: Strömungszustände zwischen des Taylor- Couette Reaktors m konzentrischen Zylindern; a) Laminare Couette Strömung, b) Laminare Taylor-Wirbelströmung; c) Wellige Wirbelströmung; d) turbulente Strömung (in Reihenfolge mit steigender Drehzahl des Innenzylinders)

 

Im Fall eines rotierenden Innenzylinders wird in fünf unterschiedliche Hauptströmungsformen unterschieden: Laminare Couette Strömung, laminare Taylor-Wirbelströmung, wellige Wirbelströmung, frequenzmodullierte wellige Wirbel und turbulente Wirbelströmung (s. Abb. 2). Ein Vorteil des Taylor- Couette Reaktor ist, dass die Mischintensität, anders als bei einem Rührkesselreaktor, über die Höhe des Reaktors konstant ist. Dadurch ist eine gleichmäßige und schonende Vermischung ohne Turbulenzspitzen möglich. Zudem ist das Reaktionsvolumen im Vergleich zur Oberfläche gering. Durch das große Oberflächen- Volumen- Verhältnis ist der Wärmetransport günstig, weshalb sich der Taylor- Couette Reaktor unteranderem zum Durchführen exothermer Reaktionen, wie z.B. radikalische Polymerisationen, eignet, da Hot Spots vermieden werden können. Hierzu ist es notwendig die Einflüsse der Strömung auf die Polymerisationsreaktion und das resultierende Produkt zu untersuchen. Mit Hilfe der, in Abbildung 3 dargestellten Versuchsanlage ist es möglich sowohl batch als auch kontinuierliche Polymerisationen durchzuführen. Im Rahmen der Arbeit von Dr.-Ing. Zhen Liu wurden bereits erste Erkenntnisse über den Einfluss der Vermischung in einem Taylor- Couette Reaktor auf die freie radikalische Polymerisation von Methylmethacrylat (MMA) in Lösung zu Polymethylmethacrylat (PMMA) untersucht. Dabei zeigt sich, dass durch Variation der Drehzahl der Umsatz verbessert werden kann.

Im Rahmen dieses Projektes wird der Einfluss der Strömungsform im TCR auf die Reaktionskinetik untersucht. Ziel ist es durch gezielte Einstellung der Prozessparameter den Umsatz der Reaktion zu steigern und eine enge Molmassenverteilung des Polymers zu erhalten. Dazu werden sowohl rheologische Untersuchungen der Polymerisation als auch Experimente in einer Laboranlage durchgeführt um die Kinetik im TCR beschreiben zu können.
 

Abb. 3: Versuchsreaktor für die kontinuierliche radikale Polymerisation