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

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

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.

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.

Publikationsliste

2022

Wu, Mei; Jurtz, Nico; Walle, Astrid; Kraume, Matthias
Evaluation and application of efficient CFD-based methods for the multi-objective optimization of stirred tanks
Chemical Engineering Science, 263 :118109
2022
Jurtz, Nico; Schönherr, Tobias David; Kraume, Matthias
Numerical investigation of mechanical axial dispersion in slender fixed-beds
AIChE Journal, 68 (1) :e17431
2022
Jurtz, N.
Particle-resolved CFD as tool for multi-scale design exploration for process intensification in slender fixed-beds
TU Berlin
2022

2021

Eppinger, T.; Jurtz, N.; Kraume, M.
Influence of Macroscopic Wall Structures on the Fluid Flow and Heat Transfer in Fixed Bed Reactors with Small Tube to Particle Diameter Ratio
Processes, 9 (4) :689
2021
ISSN: 2227-9717
Re\vsetar, I.; Jurtz, N.; Böhm, L.; Kraume, M.; Palz, N.
Integrated Framework for Digital Design and Thermal Analysis of PCM Macro-encapsulations for Passive Indoor Cooling
Sustainable Cities and Society, 66 :102536
2021
ISSN: 2210-6707
Jurtz, N.; Srivastava, U.; Moghaddam, A. A.; Kraume, M.
Particle-Resolved Computational Fluid Dynamics as the Basis for Thermal Process Intensification of Fixed-Bed Reactors on Multiple Scales
Energies, 14 (10)
2021
ISSN: 1996-1073

2020

Jurtz, N.; Flaischlen, S.; Scherf, S.C.; Kraume, M.; Wehinger, G.D.
Enhancing the Thermal Performance of Slender Packed Beds through Internal Heat Fins
Processes, 8 (12) :1528
2020
ISSN: 2227-9717
Jurtz, N.; Kruggel-Emden, H.; Baran, O.; Aglave, R.; Cocco, R.; Kraume, M.
Impact of Contact Scaling and Drag Calculation on the Accuracy of Coarse-Grained Discrete Element Method
Chemical Engineering & Technology, 43 (10) :1959-1970
2020
Jurtz, N.; Wehinger, G.; Srivastava, U.; Henkel, T.; Kraume, M.
Validation of pressure drop prediction and bed generation of fixed-beds with complex particle shapes using discrete element method and computational fluid dynamics
AIChE Journal, 66 (6) :e16967
2020

2019

Jurtz, N.; Waldherr, P.; Kraume, M.
Numerical Analysis of the Impact of Particle Friction on Bed Voidage in Fixed-Beds
Chemie Ingenieur Technik, 91 (9) :1260-1266
2019
Bornemann, M.; Kern, S.; Jurtz, N.; Thiede, T.; Kraume, M.; Maiwald, M.
Design and Validation of an Additively Manufactured Flow CelltextendashStatic Mixer Combination for Inline NMR Spectroscopy
Industrial and Engineering Chemistry Research, 58 (42) :19562-19570
2019
Röhl, S.; Hohl, L.; Kempin, M.; Enders, F.; Jurtz, N.; Kraume, M.
Influence of Different Silica Nanoparticles on Drop Size Distributions in Agitated Liquid-Liquid Systems
Chemie Ingenieur Technik, 91 (11) :1640-1655
2019
Jurtz, N.; Kraume, M.; Wehinger, G.
Advances in fixed-bed reactor modeling using particle-resolved computational fluid dynamics (CFD)
Reviews in Chemical Engineering, 35 (2) :139-190
2019

2018

Hohl, L.; Panckow, R.; Schulz, J.; Jurtz, N.; Böhm, L.; Kraume, M.
Description of Disperse Multiphase Processes: Quo Vadis?
Chemie Ingenieur Technik, 90 (11) :1709-1726
2018

2016

Eppinger, T.; Wehinger, G.; Jurtz, N.; Aglave, R.; Kraume, M.
A numerical optimization study on the catalytic dry reforming of methane in a spatially resolved fixed-bed reactor
Chemical Engineering Research and Design, 115 (B) :374-381
2016
Jurtz, N.; Wehinger, G.; Eppinger, T.; Kraume, M.
Numerische Untersuchung zu Dispersionskoeffizienten in Festbettreaktoren mit kleinem Rohr-zu-Partikel- Durchmesserverhältnis
Chemie Ingenieur Technik, 88 (9) :1297
2016
ISSN: 1522-2640

2015

Eppinger, T.; Jurtz, N.; Aglave, R.; Wehinger, G.; Kraume, M.
A Numerical Optimization Study on the Catalytic Dry Reforming of Methane in a Spatially Resolved Fixed-Bed Reactor
Proceedings of the 2015 AIChE Annual Meeting
2015
ISBN
978-0-8169-1094-6
Eppinger, T.; Jurtz, N.; Kramer, V.; Kraume, M.; Aglave, R.
Performance and efficiency prediction of semi-permeable membranes with simulation
In European Federation of Chemical Engineering, Editor, Abstract Book of the 10th European Congress of Chemical Engineering, Seite 536
In European Federation of Chemical Engineering, Editor
2015
ISBN
978-2-910239-82-4
Eppinger, T.; Kramer, V.; Jurtz, N.; Lucht, D.; Aglave, R.H.; Kraume, M.
Pre-dicting Performance and Efficiency of Semi-Permeable Membranes with Simulation
Proceedings of the 2015 AIChE Spring Meeting
2015
ISBN
978-0-8169-1089-2

2013

Eppinger, T.; Wehinger, G.D.; Jurtz, N.; Kraume, M.
Numerische Untersuchung von Schüttungen sphärischer und nichtsphärischer Füllkörper mithilfe von DEM und CFD
Chemie Ingenieur Technik, 85 (9) :1376-1377
2013
ISSN: 1522-2640