Heat Transport in Structured Catalytic Reactors for Gas-Phase Reactions

Abstract

Es ist seit langem bekannt, dass das Management des Wärmetransports ein entscheidender Faktor für die Leistungsfähigkeit katalytischer Reaktoren ist. Diese werden beispielweise für stark exo- und endotherme Gasphasenreaktionen eingesetzt. Offenzellige feste Schäume (oder auch Schwämme) kombinieren einen geringen Druckabfall mit bemerkenswerten Wärmetransporteigenschaften und bieten damit eine Kombination, die sie zu einer äußerst attraktiven Option als monolithische Katalysatorträger macht. Für kleinvolumige dynamisch betriebene Reaktoren (zum Beispiel für die Methanisierung von CO2) haben offenzellige Schäume gegenüber herkömmlichen Pelletkatalysatoren vorteilhafte Wärmetransporteigenschaften gezeigt. Dies gilt solange die Wärme hauptsächlich radial über Konduktion abgeführt wird. Um effiziente und sichere strukturierte Schwammreaktoren zu entwerfen und außerdem zuverlässige technische Modelle zu entwickeln, ist ein gründliches Verständnis der drei Wärmetransportmechanismen, Konduktion, Konvektion und Wärmestrahlung, erforderlich. Ziel dieser Arbeit ist es daher, einen tieferen Einblick in die gekoppelte konjugierte Wärmeübertragung und Wärmeerzeugung in offenzelligen Schäumen zu erhalten, welche in Rohrreaktoren (d.h. strukturierten Schaumreaktoren) verwendet werden. Mithilfe von 3D CFD Simulationen können Wärmeflüsse und Temperaturen von Gasen und Feststoffen gründlich untersucht werden. Um die Reaktionswärme während einer exothermen chemischen Reaktion abzubilden und um den Rechenaufwand zu reduzieren, werden volumetrische Wärmequellen homogen in den festen Schaum implementiert. Die Vereinfachung der Wärmequelle ermöglicht es, die Auswirkung der Wärmeerzeugung im Reaktor auf die Wärmeübertragung zu untersuchen. Die Ergebnisse dieser Arbeit quantifizieren dominante Wärmetransportmechanismen in Schaumreaktoren, etablieren Wärmequellen als Instrument zur Untersuchung des Wärmetransports in strukturierten Reaktoren und geben Designrichtlinien für die Auslegung von Reaktoren und deren Katalysatorträgern bei hoch exo- oder endothermen Reaktionen.