Mesoscale triphasic flow reactors for metal catalyzed gas–liquid reactions

文献情報

出版日 2019-06-11
DOI 10.1039/C9RE00150F
インパクトファクター 4.239
著者

Dogancan Karan, Saif A. Khan


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要旨

In this study, we demonstrate a mesoscale triphasic (gas–liquid–liquid) reactor for fast, transition metal catalyzed gas–liquid reactions, which is capable of delivering kg per day productivity at the single channel level. More generally, our study addresses the limits of scale up of multiphase flow reactors beyond the micro- and milli-scale. We first conduct a rigorous hydrodynamic study that allows us to explore the channel dimension and reactor operating conditions within which a stable and regular flow regime can be maintained. We particularly focus on the presence of the organic phase as a thin film around the train of dispersed phase segments, since this plays a key role in process intensification and flow stability. A tube diameter of 3.2 mm is found to be the upper limit for the mesoscale channel, beyond which thin films cease to exist due to combination of gravitational drainage and dewetting. Next, we present experimental observations of a model reaction – the hydrogenation of 1-hexene in the presence of a rhodium nanoparticle catalyst (RhNP) to evaluate the reactor performance and highlight the key differences between micro/milli-scale and mesoscale operation. Finally, we develop and discuss a mathematical model that accurately captures the key experimental observations. Based on the insight we gain from our model, we demonstrate further scale up of the reactor to achieve the performance of >100× equivalent milliscale flow reactors with a single mesoscale channel under ambient conditions.

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掲載誌

Reaction Chemistry & Engineering

Reaction Chemistry & Engineering
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Reaction Chemistry & Engineering is an interdisciplinary journal reporting cutting-edge research focused on enhancing the understanding and efficiency of reactions. Reaction engineering leverages the interface where fundamental molecular chemistry meets chemical engineering and technology. Challenges in chemistry can be overcome by the application of new technologies, while engineers may find improved solutions for process development from the latest developments in reaction chemistry. Reaction Chemistry & Engineering is a unique forum for researchers whose interests span the broad areas of chemical engineering and chemical sciences to come together in solving problems of importance to wider society. All papers should be written to be approachable by readers across the engineering and chemical sciences. Papers that consider multiple scales, from the laboratory up to and including plant scale, are particularly encouraged.

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