Multi-scale analysis of mass transport within regular and irregular monolithic catalyst supports

Strukturierte Reaktoren, die mit monolithischen Katalysatorträgern ausgestattet sind, werden häufig für verschiedene Reaktionssysteme verwendet. Es wurde angenommen, dass die geometrischen Parameter der verwendeten Monolithen eine wichtige Rolle bei der Steuerung der Transport- und Transfereigenschaften der strukturierten Reaktoren spielen. Die unregelmäßigen monolithischen Katalysatorträger, wie z.B. offenzellige Schäume, haben komplexe und vernetzte Geometrien, die die Herausforderungen bei der Analyse der Transportphänomene in ihnen verstärken. Außerdem erfordert die Durchführung einer realistischen Analyse die Entwicklung von experimentellen und numerischen Werkzeugen, die in der Lage sind, die strukturierten Reaktoren, die mit solch komplexen und undurchsichtigen Monolithen ausgestattet sind, vollflächig zu analysieren. Die numerische Strömungssimulation (Computational Fluid Dynamics, CFD) ist ein bekanntes numerisches Werkzeug für die Untersuchung von Transportphänomenen, das im Vergleich zu experimentellen Methoden wesentlich kostengünstiger ist. Die Ergebnisse von CFD-Simulationen müssen jedoch mit den experimentellen Methoden abgeglichen werden, um ihre Plausibilität zu beweisen. Aus diesem Grund sollte ein experimentelles Werkzeug eingesetzt werden, das in der Lage ist, die oben erwähnte Vollfeldanalyse in einem solch undurchsichtigen und komplex strukturierten Reaktor durchzuführen. Da Transportphänomene in monolithischen Strukturen in hohem Maße von der lokalen Geometrie abhängen, sollte die eingesetzte experimentelle Methode nicht-invasiv sein. Unter den möglichen experimentellen Methoden ist die kernmagnetische Resonanztechnik (NMR) in der Lage, eine nicht-invasive Ganzfeldanalyse innerhalb undurchsichtiger und komplexer Strukturen durchzuführen.
In dieser Dissertation wurde der Massentransport in Festbettreaktoren untersucht, indem die Gasströmung in katalytischen Monolithen sowohl auf makroskopischer als auch auf mikroskopischer Ebene untersucht wurde. Die identische Struktur der Monolithen wurde in Simulationen und Messungen verwendet. In einem ersten Ansatz wurde die realistische Struktur der Monolithen in CFD-Simulationen implementiert, indem die Monolithen mit der μCT-Bildgebungstechnik gescannt und ihre Strukturen mit CAD-Software rekonstruiert wurden. In einem zweiten Ansatz wurde die CAD-Software verwendet, um die Monolithenstrukturen zu entwerfen und zu optimieren, die dann mit der 3D-Drucktechnologie gedruckt und für experimentelle Messungen verwendet wurden. Es wurde eine makroskopische Analyse auf Porenebene durchgeführt, um Geschwindigkeitsfelder und -profile innerhalb der Monolithen zu erhalten. Zu diesem Zweck wurden CFD-Simulationen mit der auf finiten Volumen basierenden Software OpenFOAM durchgeführt. Der Standard Navier-Stokes Solver für inkompressible Flüssigkeiten wurde für die CFD-Simulationen verwendet. Aufgrund der geometrischen Komplexität der offenzelligen Schaumstoffstruktur wurde der Abgleich der erhaltenen CFD- und MRV-Geschwindigkeitsfelder mit Hilfe einer Bildverarbeitungsmethode durchgeführt. Dieses In-house-Bildverarbeitungstool wurde implementiert, um die Qualität der Übereinstimmung zwischen den aus Simulationen und Messungen gewonnenen Geschwindigkeitsfeldern zu bestimmen. Die Wichtigkeit der numerischen Ganzfeldanalyse für den Erhalt realistischer Geschwindigkeitsfelder und -profile in offenzelligen Schäumen wurde nachgewiesen. Ein ähnliches hydrodynamisches Verhalten der Strömung im Eingangs- und Endbereich von Wabenmonolithen wurde beobachtet. Der qualitative und quantitative Vergleich der Vollfeld-CFD-Simulation und der experimentellen Ergebnisse untermauerte die Zuverlässigkeit beider Methoden für die makroskalige Analyse des Massentransports in Festbettreaktoren. Der Einfluss der strukturellen Parameter des Monolithen, der geometrischen Artefakte und der Probeflüssigkeit auf die Qualität der Übereinstimmung zwischen numerischen und experimentellen Ergebnissen wurde untersucht. Zusätzlich wurden die Ursachen für Abweichungen zwischen numerischen und experimentellen Ergebnissen und ihr Beitrag zur Diskrepanz ermittelt.
Experimentelle makroskopische Messungen wurden mit Hilfe einer NMR-basierten Methode durchgeführt, die auch als Magnetresonanz-Velocimetrie (MRV) bekannt ist. Die mikroskopische Analyse des Gasflusses wurde mit Hilfe eines räumlich aufgelösten Pulsed Field Gradient Stimulated Echo (PFG-STE) durchgeführt, um die Verdrängungsverteilung des Gases zu erhalten und den Beitrag der Diffusion zum Massentransport zu untersuchen. Diese Messungen zeigten, dass reguläre Navier-Stokes-CFD-Simulationen nicht in der Lage sind, die Diffusionsbewegung des Gases und mikroskopische Details der Monolithenstrukturen zu berücksichtigen, die in den rekonstruierten Monolithen aus μCT-Bildern nicht zu erkennen waren. Die Durchführung von Ganzfeld-CFD-Simulationen im Mikrobereich unter Berücksichtigung der molekularen Interaktion und damit der Diffusion ist für Festbettreaktoren sehr zeitaufwändig. Insbesondere bei unregelmäßigen katalytischen Monolithen wie offenzelligen Schäumen, die eine komplexe Struktur aufweisen. Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass die Kopplung von Navier-Stokes CFD-Simulationen mit einem Partikelverfolgungslöser, der die Diffusionsbewegung von Partikeln berücksichtigt, deren Beschränkung bei der Vorhersage der Verdrängungsverteilung von Gasströmen innerhalb katalytischer Monolithen überwinden kann. Dementsprechend wurden die Ergebnisse der regulären CFD-Simulationen mit einem neuartigen Partikelverfolgungslöser disTrackFOAM gekoppelt, der am Institut für Chemische Reaktionstechnik der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg entwickelt wurde. Die gekoppelten CFD-Simulationen und disTrackFoam-Ergebnisse, die in dieser Arbeit als CFD-PT-Simulationen bezeichnet werden, zeigten im Vergleich zu den experimentellen Messungen eine gute Übereinstimmung. Das bestätigt die Zuverlässigkeit der verwendeten experimentellen und numerischen Methoden bei der mikroskaligen Analyse von Gasströmungen in Festbettreaktoren.