Zur Modellierung und Simulation gerührter Ein- und Mehrphasenreaktoren mit Zellennetzmodellen

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Gerührte Reaktoren sind Standard-Kontaktapparate für mehrphasige Reaktionsführungen, die in verschiedenen Bereichen wie chemischen Synthesen, Kristallisation und Bioverfahrenstechnik eingesetzt werden. In dieser Arbeit wird ein Modell entwickelt, das die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten gerührter Ein- und Mehrphasenreaktoren beschreibt. Die Grundlage bildet ein „Mehrbereichs-Zellennetzmodell“, das eine vereinfachte Abbildung der einphasigen Strömung ermöglicht. Für die Modellierung mehrphasiger Prozesse werden die Eigenbewegung der dispergierten Phase(n) und deren Wechselwirkungen mit dem Strömungsfeld der kontinuierlichen flüssigen Phase berücksichtigt. Im Rahmen der Modellvalidierung werden nicht-reaktive Strömungen untersucht, wobei der Einfluss einzelner Teilmodelle und Modellparameter auf die Simulationsergebnisse zum Homogenisieren, Begasen und Suspendieren im Vergleich zu experimentellen Daten und numerischen Strömungssimulationen überprüft wird. Das Modell wird erfolgreich auf reaktive Strömungen angewendet, beginnend mit einer feststoffkatalysierten Hydrierung. Hierbei wird die Abhängigkeit der Reaktorleistung von der Feststoff- und Gasverteilung diskutiert. Zudem wird die Integration von Populationsbilanzen in Form von Momentengleichungen zur Beschreibung von Kristallisationsprozessen ermöglicht, was eine simultane Betrachtung von Strömungs- und Partikelbildungsvorgängen im zweiten Anwendungsbeispiel erlaubt.