Development and Optimization of Photochemical Reactors for Productivity and Efficiency

Promovendus/a: Glen Meir

Promotor(en): Prof. dr. ir. Thomas Van Gerven, Prof. dr. ir. Simon Kuhn, Prof. dr. Mumin Enis Leblebici

Continue fotochemische reactoren met conventionele verlichting zijn meestal ontworpen als een buis die vanaf de zijkant wordt belicht, of zogenaamde dwarsstroomverlichting. Deze reactoren hebben te kampen met energie-efficiëntieproblemen, aangezien het meeste invallende licht verloren gaat aan de omgeving en niet wordt gebruikt in de reactor. Dit probleem werd in dit doctoraat aangepakt door de introductie van een nieuwe manier om de reactor te verlichten. Deze nieuwe techniek bestaat uit het verplaatsen van de lichtbron van een "zij"-positie naar een positie "in lijn" met de vloeistofstroom in de reactor. Deze techniek is de zogenaamde coaxiale verlichting van fotochemische reactoren en kan worden opgesplitst in meestroomverlichting (met de stroom van reagentia) en tegenstroomverlichting (tegen de stroom van reagentia in). Het gebruik van beide nieuwe belichtingstechnieken vereist een volledig herontwerp van de huidige fotochemische reactor. Dit ontwerp is toegesneden op enkelvoudige (vloeistof) en tweefasige (gas-vloeistof) reactoren. Naast het ontwerp werd een wiskundig model ontwikkeld voor zowel fotochemische als fotosensibilisatiereacties om de reactor te ontwerpen in termen van geometrie en bedrijfsomstandigheden. Het model bevat de gebruikte lichtbronnen, het toegepaste debiet, de concentratie en stelt de gebruiker in staat om de conversie, bedrijfsefficiëntie met betrekking tot energie-efficiëntie en maximale productiviteit te berekenen, wat een belangrijke maatstaf is voor de industrie. De modellen werden geëvalueerd voor zowel eenfase- als tweefasereacties in 2 verschillende reactorontwerpen, toegesneden op de specifieke operatie. Het model en de experimentele gegevens lieten een goede match zien en maken het ontwerp van toekomstige reactoren en optimalisatie van huidige reactoren mogelijk. Concluderend gaf het model optimale bedrijfsomstandigheden aan in de volgende situatie: verlicht de reactor met een foton tot reagensverhouding van 1 keer de kwantumopbrengst van de reactie, gebruik een reagensabsorptiewaarde die ten minste 1,75 is over de lengte van de reactor. Als u een sensitizer gebruikt, zorg er dan voor dat u er een gebruikt die voldoende stabiel is of gebruik voldoende zodanig dat afbraak minimaal is, en gebruik een reagensconcentratie die voldoende hoog is om de reactie op een energie-efficiënt punt te laten werken. Deze modelresultaten werden experimenteel geverifieerd. Door het gebruik van deze nieuwe verlichtingstechniek konden we tot 6 keer zoveel energie besparen en tot 100 keer minder verbruiken in vergelijking met de stand van de techniek.