Untersuchung der Kupferoxidation als Beispiel einer nicht-katalytischen Gas-Feststoffreaktion bei hohen Temperaturen im Fallrohrreaktor

Gegenstand der Dissertation ist die Untersuchung eines Fallrohrreaktors in Bezug auf seine Eignung zur Ermittlung kinetischer Parameter von nicht-katalytischen Gas-Feststoffreaktionen. In dem untersuchten Reaktor strömen die beteiligten Phasen von Gas und Feststoff gemeinsam in Richtung der Schwerkraft. Dies ist für die Reaktionsführung vorteilhaft. Um den Reaktionsfortschritt über verschiedene Betriebspunkte beschreiben zu können, muss die Verweilzeit der Gas-Feststoff-Strömung im Reaktor bekannt sein. Aufgrund der verwendeten hohen Temperaturen an der Versuchsanlage ist ein direktes Messen der Verweilzeit nicht möglich. Zur Berechnung wird daher ein hydrodynamisches und thermisches Reaktormodell formuliert, für das zahlreiche Annahmen getroffen werden müssen. Zur Überprüfung wird neben der Durchführung theoretischer Berechnungen und CFD-Simulationen die Versuchsanlage geometrisch auf einen Acrylglasreaktor übertragen. An diesem erfolgen Untersuchungen der Gasströmung und der Gas-Feststoffströmung. Als Modellreaktion wird die Oxidation von reinem Kupfer mit Sauerstoff gewählt. Dabei stellt die Feststoffdiffusion im Inneren der Kupferpartikel den geschwindigkeitsbestimmenden Schritt dar. Für das erhaltene Produkt wird eine Methode entwickelt, um den Reaktionsfortschritt über eine Kombination verschiedener Methoden zu ermitteln. Abschließend erfolgt eine Simulation der durchgeführten Betriebspunkte auf Basis des formulierten Modells, um den für den Reaktionsfortschritt wichtigen Parameter des effektiven Feststoff-Diffusionskoeffizienten zu ermitteln. Es zeigt sich, dass der Fallrohrreaktor zur Ermittlung kinetischer Parameter gut geeignet ist.