Simulation von Transportprozessen in katalytischen Membranreaktoren
Die numerische Simulation gekoppelter Wärme- und Stofftransportprozesse hat am Lehrstuhl eine langjährige Tradition. In einem Anwendungsschwerpunkt werden Reaktoren mit katalytisch beschichteten Membranen (CMR) untersucht.
Für eine Beschreibung der Transport- und Reaktionsprozesse in den unterschiedlichen Reaktorzonen wurden quasi-homogene, ein- und zweidimensionale Modell entwickelt, die die Toolbasierte-Software MATLAB und die CFD-Software FLUENT nutzen. Die Beschreibung der Reaktionskinetik und der Transportprozesse in der Membran stützt sich auf experimentelle Untersuchungen innerhalb der DFG-Forschergruppe 447 „Membranunterstützte Reaktionsführung“. Die experimentell für das DGM bestimmten Membranparameter wurden dabei in eine für die CFD-Simulationen geeignete Form überführt. Der Vergleich der mit unterschiedlicher Modellierungstiefe ermittelten Ergebnisse gestattet wesentliche Rückschlüsse zur Notwendigkeit einer CFD-gestützten Simulation.
Der Einfluss sowohl der Betriebsparameter als auch der Geometrieparameter und der Mem-braneigenschaften auf die Ausbeute von Ethylen sowie die Rückdiffusion von Edukten und Produkten in die Shell-Seite wurde durch systematische Simulationsrechnungen untersucht. Die Einflussgrößen wurden dabei in einem breiten Bereich variiert, wobei die Verweilzeit, die Temperatur und das Stromverhältnis, das Konzentrationsverhältnis und die Katalysatorschichtdicke die integrale Ausbeute von Ethylen wesentlich beeinflussen.
Durch die Methoden der Versuchsplanung und Regressionsanalyse konnten optimale Bedingungen zur Erhöhung der Ausbeute von Ethylen bestimmt werden. E wurde selbst für relativ geringe Katalysatorschichtdicke von 10 µm eine maximale Ausbeute von fast 50 % unter den untersuchten Bedingungen ermittelt.
Einfluss der Membranparameter bei GHSV = 27737 1/h und 10 µm Katalysatorschichtdicke
Georgieva, K.; Schmidt, J.: Simulation of Mass Transfer in a Catalytic Membrane Reactor., 13th International Heat Transfer Conference, Sydney August 13-18, 2006, Conference Proceedings, 12 pages