Modellierung und Optimierung der industriellen Herstellung von Maleinsäureanhydrid aus n-Butan in katalytischen Festbettreaktoren

Maleinsäureanhydrid (MSA) wird industriell hauptsächlich durch die an Vanadiumphosphoroxid katalysierte Selektivoxidation von n-Butan gewonnen. Die Reaktion wird in salzbadgekühlten Rohrbündelreaktoren mit bis zu 30.000 Einzelrohren durchgeführt. Aufgrund der hohen Exothermie, der komplexen Reaktionskinetik und des kleinen Rohr- zu Partikeldurchmesser-Verhältnisses stoßen die klassischen Reaktormodelle bei diesem Prozess an ihre Grenzen. Im Rahmen des Projektes wird deshalb eine partikelaufgelöste CFD-Simulation zur detaillierten Abbildung der Abläufe im katalytischen Festbett genutzt. Die Reaktion wird mittels einer im transportlimitierungsfreien Mikroreaktor gemessenen Kinetik beschrieben. Ein besonderer Fokus bei der Modellierung liegt auf der ungleich verteilten Strömungsgeschwindigkeit in der Katalysatorschüttung sowie auf Massen- und Wärmetransport innerhalb des Festbetts und der einzelnen Katalysatorpartikel. Die Ergebnisse der CFD-Simulation sollen mit experimentellen Messungen validiert werden.

Mit den aus der CFD-Simulation generierten Daten können Schwachstellen der klassischen Reaktormodelle erkannt und durch Modifizierung der Modelle verbessert werden. Das derzeitige Hauptproblem der industriellen MSA-Synthese aus n-Butan ist die Überhitzung von Katalysatorpartikeln und die Bildung eines ausgeprägten Hot-Spots am Anfang des Festbettes durch eine unzureichende Wärmeabfuhr. Dadurch steigt die Überoxidation an und die Ausbeute an MSA sinkt. Mittels CFD-Simulation kann der Einfluss der Partikelgeometrie auf den Wärmetransport und die MSA-Ausbeute untersucht werden, um eine für den Prozess geeignetere Partikelform zu finden.