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TU Berlin

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Dipl.-Ing. Nico Jurtz

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Lehre
CFD in der Verfahrenstechnik

Arbeitsgebiet

CFD-Simulation von Wärme- und Stofftransport sowie Stoffumwandlungsprozessen in Festbettreaktoren

Bachelor-/Masterarbeiten

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Motivation und Problemstellung

Katalytische Festbettreaktoren sind weit verbreitet in der chemischen Industrie. Sie werden für eine Vielzahl von Anwendungen genutzt, wie etwa der Dampfreformierung (SRM), der Trockenreformierung (DRM) und der katalytischen partiellen Oxidation von Methan (CPOX). Die genannten Verfahren spielen eine wichtige Rolle bei der Produktion von Wasserstoff und Synthesegas aus Methan, wobei letzteres auch aus regenerativen Quellen bereitgestellt werden kann und die Verfahren somit einen wichtigen Beitrag zum Klimaschutz leisten können.

Heterogene katalytische Reaktionen sind gekennzeichnet durch eine hohe Reaktionsenthalpie. Für den sicheren und effizienten Betrieb der Reaktoren ist es daher unabdinglich die Wärme effizient abzuführen oder in das System einzubringen. Es werden daher Reaktoren mit kleinem Rohrdurchmesser gewählt, die zu sogenannten Rohrbündelreaktoren zusammengeschaltet werden. Auf der anderen Seite soll der Druckverlust geringgehalten werden, weshalb relativ große Katalysatorpartikel verwendet werden. Dies führt zu Reaktoren mit kleinem Rohr-zu-Partikel-Durchmesserverhältnis

Verteilung der Oberflächentemperatur und Visualisierung lokaler Kanalbildungseffekte in einem Festbett
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Die Annahme eines konstanten Lückengrades und eines fluiddynamischen Kolbenprofils ist in diesem Reaktortyp nicht mehr gerechtfertigt, da lokale Wandeffekte dominieren. Dies hat signifikante Auswirkungen auf den Energie- und Stofftransport und beeinflusst somit auch die Reaktionskinetik lokal. Die Auslegung dieser Reaktoren mit vereinfachten Modellansätzen ist problematisch, da diese zum einen wesentliche Effekte (z.B. lokale Hot-Spots) nicht abbilden können und zum anderen die Kenntnis von effektiven Transportparameter (z.B. Dispersionskoeffizient, effektive Wärmeleitfähigkeit, effektive Viskosität) voraussetzen. Korrelationen zur Berechnung diese Parameter sind oft nur eingeschränkt nutzbar und weisen erhebliche Schwankungen auf.

Mit der numerischen Strömungssimulation (CFD) steht uns ein Werkzeug zur Verfügung die Fluiddynamik sowie den überlagerten Wärme- und Stofftransport ortsaufgelöst zu berechnen. Hierzu wird der komplexe Strömungsraum zwischen den Partikeln komplett aufgelöst und die Transportprozesse durch numerisches Lösen der Navier-Stokes-Gleichungen beschrieben. Eine gekoppelte Beschreibung des Wärmetransports innerhalb der Partikel ist ebenfalls möglich. Uns steht somit ein Werkzeug zur Verfügung, um detaillierte Untersuchungen durchzuführen, die in dieser Flexibilität und Güte experimentell nicht umsetzbar wären.

Vorgehen

Für die numerische Simulation kommt ein DEM-CFD-gekoppelter Workflow zum Einsatz. Zunächst wird mittels der Diskreten Elemente Methode (DEM) eine repräsentative Zufallsschüttung erzeugt. Im Anschluss wird die Position und Orientierung jeder Partikel extrahiert und basierend auf diesen Daten eine CAD-Beschreibung der Bettmorphologie erzeugt. Für die Erzeugung des Rechengitters kommt eine spezielle Vernetzungsstrategie zum Einsatz, wobei je nach Fragestellung entweder nur der Strömungsraume oder zusätzlich dazu auch die Partikel vernetzt werden. Die Vorgehensweise ist auch schematisch in der nachfolgenden Animation dargestellt.

Zielstellungen

Neben der sukzessiven Erweiterung und der experimentellen Validierung des entwickelten Verfahrens, werden die Simulationsergebnisse genutzt, um das phänomenologische Verständnis der Fluiddynamik und der in Festbettreaktoren auftretenden Transportprozesse zu verbessern. Hinsicht der Prozessintensivierung werden neue Reaktorkonzepte und Partikelformen numerisch erprobt und bezüglich der Reaktorperformance bewertet. Die Bestimmung effektiver Transportparameter, die für vereinfachte Modelle notwendigen sind, steht ebenfalls im Fokus meiner Arbeit. Ziel ist es, verlässlichere Ergebnisse auch mit vereinfachten Modellen zu erhalten.

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