Analyse und Modellierung der radialen Wärmetransportmechanismen in Festbettreaktoren zur Prozessintensivierung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Matthias Kraume; Professor Dr.-Ing. Gregor Wehinger
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik ; Energieverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 556175587

Zum sicheren und effizienten Betrieb von katalytischen Festbettreaktoren, ist die Intensivierung des radialen Wärmetransports entscheidend. Die starke Kopplung zwischen Bettmorphologie, Fluiddynamik, Wärmetransport und Reaktorperformance ist bekannt, die Mechanismen aber bisher nicht abschließend geklärt. Das beantragte Projekt wird den Einfluss des radialen Wärmetransports in Festbetten mit kleinem Rohr-zu-Partikel-Durchmesserverhältnis experimentell und numerisch, mittels partikelaufgelöster CFD, untersuchen. Ziel ist es, den radialen Wärmetransport im Festbettreaktor mit Hilfe von Innenrippen zu verbessern, um die heterogen-katalytische Trockenreformierung von Methan (CO2+CH4-->2CO+2H2, ∆𝐻 = 247,3 kJ mol-1) zu intensivieren. Dabei wird das Zusammenspiel zwischen Bettstruktur, Transportphänomenen und Stoffumwandlungsprozessen unter Zuhilfenahme 3D-gedruckter Innenrippen, die es erlauben die wandnahen Wärmetransportmechanismen gezielt zu beeinflussen, analysiert. Mit diesem Projekt werden neue Erkenntnisse sowohl experimentell als auch mit Simulationen gewonnen, welchen Einfluss lokale Bettstrukturen auf die wandnahen Wärmetransportmechanismen in schmalen Festbettreaktoren haben und wie interne Rippen diese manipulieren. Darüber hinaus wird der Einfluss des intensivierten radialen Wärmetransports auf die Reaktorperformance für die endotherme Trockenreformierung von Methan an Nickelkatalysatoren experimentell und numerisch untersucht. Alle experimentell und numerisch erhobenen Daten werden voll umfänglich über ein Datenrepositorium, unter Einhaltung der FAIR-Prinzipien, zur wissenschaftlichen Nachnutzung zu Verfügung gestellt. Dies gewährleistet, dass für zukünftige Untersuchungen eine konsistente Datenlage, angefangen von der Beschreibung der Bettmorphologie, über die fluiddynamische Charakterisierung, Katalysatoreigenschaften, bis hin zur Erfassung des Temperaturfeldes, der verschiedenen Wärmetransportmechanismen und katalytischen Umsätze, vorhanden ist. Darüber hinaus werden interaktive frei zugängliche Dashboards entwickelt, welche das komplexe Zusammenspiel der unterschiedlichen Transportmechanismen mit der Reaktorperformance aufzeigen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen