Modeling and simulation of fixed-bed reactors made of metal foam pellets

Offenzellige Metallschäume werden häufig als Katalysatorträger für katalytische Gasphasenreaktionen verwendet, da sie hervorragende Transporteigenschaften aufweisen. Aktuelle Fortschritte in den Herstellungstechniken haben zur Entwicklung von legierten Schäumen (z. B. NiCrAl, FeCrAl) mit verbesserter thermischer Stabilität geführt, die zu Drop-in Pellets für Festbettreaktoren geformt werden können. Die Metallschaum-Pellets gelten als vorteilhafte Alternative zu keramischen Katalysatorträgern, auch für den Einsatz in Festbettrohrreaktoren für großtechnische Prozesse wie die Dampfreformierung von Methan. Die gewundene Zellstruktur, die Strömungen innerhalb und zwischen den Partikeln in Verbindung mit den lokalen Effekten der Festbettstrukturen führen jedoch zu komplexeren Transportphänomenen bei Festbetten aus Metallschaumpellets im Vergleich zu Feststoffpellets. Daher ist es wichtig, ein grundlegendes Verständnis der zugrunde liegenden Transportprozesse zu haben, um die optimale Form der Metallschaumpellets für eine spezifische Betriebsbedingung zu bestimmen. In dieser Arbeit wird eine modifizierte Version des Partikelaufgelösten numerische Strömungsmechanik-Ansatzes präsentiert, um die Transportprozesse, insbesondere die Strömung und den radialen Wärmetransport, in schlanken Festbettreaktoren aus Metallschaumpellets zu untersuchen. Das synthetische Festbett wird mit der Rigid Body Dynamics (RBD)-Methode generiert, und die Transportgrößen werden in den Zwischenräumen vollständig dreidimensional aufgelöst. Die Strömung und der Wärmetransport im Inneren der Metallschaumpellets werden jedoch durch den Ansatz über ein poröses Medium unter Berücksichtigung geeigneter Submodelle behandelt. Für die Durchführung von Experimenten zum Druckverlust und der Wärmeübertragung wurden Pilotmaßstab-Reaktoren gebaut. Die CFD-Simulationen zeigen eine sehr gute Übereinstimmung mit den experimentellen Daten. Als Ergebnis wurde eine virtuelle Designplattform entwickelt, die es ermöglicht, den Einfluss verschiedener Formen und Morphologien von Metallschaumpellets sowie von Betriebsbedingungen wie Durchflussraten, Einlass- und Wandtemperaturen auf die Transportprozesse in solchen Festbettreaktoren zu untersuchen. Zur Optimierung der Metallschaumpellets wird die Gesamtleistung verschiedener Pelletkonfigurationen auf der Grundlage der wünschenswerten Eigenschaften eines Festbettreaktors, darunter niedriger Druckverlust, hoher Wärmeübergangskoeffizient, vergrößerter Oberfläche sowie hohe Katalysatorbeladung, analysiert. Darüber hinaus erfolgt eine umfassende Analyse der zugrunde liegenden Wärmeübertragungsmechanismen mithilfe von experimentellen Daten und Simulationen. Dies ermöglicht die Entwicklung von Korrelationen für kritische Wärmetransportparameter wie die effektive radiale Bettleitfähigkeit und die Wand-Fluid-Nusselt-Zahl. Abschließend wird ein vereinfachter CFD-Ansatz zur Modellierung katalytischer Schaumpellets vorgestellt, der auch die externen und internen Stoffübergangswiderstände in einem beschichteten Schaumpellet berücksichtigt.