Zellulare Strukturen als neuartige Katalysatorträger

Die Realisierung optimaler Reaktionsbedingungen erfordert die Möglichkeit, effektive Transporteigenschaften im katalytischen Reaktor zielgerichtet beeinflussen zu können. In diesem Zusammenhang bietet die Verwendung strukturierter Katalysatorträger zusätzliche Freiheitsgrade für einen effizienteren Geometrieentwurf. Um das Potential eines strukturierten Katalysatorträgers voll ausschöpfen zu können ist zunächst ein detailliertes Verständnis der Wechselwirkung zwischen den Geometriemerkmalen und den Transporteigenschaften notwendig.

In der Arbeitsgruppe "Katalytische Reaktoren und Prozesstechnik" werden numerische Detailsimulationen für Transportuntersuchungen in offenporigen zellularen Strukturen genutzt. Diese sind, zusätzlich zu den in der Arbeitsgruppe durchgeführten kinetischen Untersuchungen (Kinetikmodellierung) ein erster Schritt, um das Potential dieser neuartigen Katalysatorträger in chemischen Reaktoren einzuschätzen.

Um eine numerische Darstellung der Katalysatorträger zu erhalten, können reale Proben (z.B. offenporige Schäume) mit Mikro-Computertomographie (μ-CT) digitalisiert werden. Bei diesem zerstörungsfreien bildgebenden Verfahren sind Auflösungen im Mikrometerbereich möglich. Dies erlaubt eine detaillierte Charakterisierung der Geometrie und den Vergleich mit weiteren experimentellen Resultaten.

Darüber hinaus kann die zufällige Struktur der offenporigen Träger, je nach Anwendung, vereinfacht als reguläre Anordnung identischer Zellen betrachtet und somit die Komplexität auf eine Einheitszelle reduziert werden. Diese stellt das repräsentative Elementarvolumenelement (REV) des Materials dar. Die Struktur des Feststoffs kann mit Konstruktionsprogrammen entworfen oder als Ergebnis einer rigorosen Geometrieoptimierung mit der gewünschten Zielfunktion erhalten werden. Ebenso kann die Katalysatorträgerstruktur von Beginn an numerisch konzipiert werden, wodurch eine volle Kontrolle über die lokalen Eigenschaften (z.B. Porosität, spezifische Oberfläche) möglich ist, um auf diese Weise neue Strukturierungskonzepte zu untersuchen.

Der Wärmetransport in den dreidimensionalen Geometriemodellen kann durch numerische Simulationen (z.B. Finite Volumen Methode) analysiert werden, um Informationen zu Temperaturüberhöhungen oder dem unterschiedlichen Einfluss von Konvektion und Wärmeleitung zu erhalten. Dadurch können Strukturen mit verringerten Wärmetransportwiderständen und niedrigerer Wärmebelastung identifiziert werden. Ebenso können die Transporteigenschaften in Bezug auf Strömung (z.B. Druckverlust, Geschwindigkeitsverteilung) und Stofftransport (z.B. Verweilzeitverteilung, Dispersion) numerisch untersucht werden. Das Erzielen eines verbesserten Stofftransports oder verringerten Druckverlusts kann die Betriebskosten einer chemischen Anlage deutlich verringern. Zusätzlich kann der verbesserte Einfluss auf Strömungsverhalten, Temperatur- und Verweilzeitverteilung die Selektivität und die Ausbeute und somit die Gesamtperformance des chemischen Reaktors erhöhen.

Für die Detailsimulationen werden verschiedene numerische Methoden (z.B. Finite Volumen Methode, Lattice-Boltzmann Methode) und Werkzeuge (Open Source Codes, Eigenentwicklungen) verwendet. Aufgrund der detaillierten Simulation und der untersuchten Geometriegrößen ist es häufig nötig, die Simulationen auf Hochleistungsrechnern durchzuführen, um geeignete Resultate in angemessener Zeit zu erhalten.

In den Werkstätten zur additiven Fertigung von verfahrenstechnischen Komponenten des Anwenderzentrum VerTec können die entworfenen optimierten Geometrien mit dem Elektronenstrahlschmelzverfahren (selective electron beam melting, SEBM) realisiert werden. Die gefertigten Strukturen stehen daraufhin für Tests und Experimente zur Verfügung.

Werden die genannten Informationen zusammengefasst, können die Auswirkungen der verschiedenen Geometrieeigenschaften auf die Gesamtreaktorperformance bestimmt werden. Aufgrund der kurzen Rückkopplungsschleife zwischen Geometrieparametern und relevanten physikalischen Eigenschaften können unterschiedliche Klassen von Strukturen systematisch untersucht (numerisches Experiment), bewertet und neue Strukturen mit verbesserter Leistungsfähigkeit vorgeschlagen werden.

Förderungen und Kooperationen

Exzellenzcluster „Engineering of Advanced Materials“ (EAM)

Laboratory of Catalysis and Catalytic Processes, Politecnico di Milano (Prof. Enrico Tronconi, Prof. Gianpiero Groppi)

Lehrstuhl für Angewandte Mathematik 2 (Prof. Dr. Michael Stingl)

Lehrstuhl für Theoretische Physik 1 (Prof. Dr. Klaus Mecke)

Lehrstuhl Werkstoffkunde und Technologie der Metalle (Prof. Dr.-Ing. Robert F. Singer, Prof. Dr.-Ing. habil. Carolin Körner)

Regionales Rechenzentrum Erlangen, RRZE (Dr.-Ing. Thomas Zeiser)

Zentralinstitut für Scientific Computing (ZISC)

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