Projektbeschreibung

Die zukünftige Produktion von Treibstoffen und Chemikalien wird mit einer schwankenden Energie- und Rohstoffversorgung konfrontiert sein. In Prozessanwendungen, wie Power-to-X, werden katalytische Reaktoren häufiger dynamischen Randbedingungen wie An- und Abfahrvorgängen oder Lastwechseln ausgesetzt sein als heutige Reaktoren, die mit fossilen Brennstoffen und Energie betrieben werden. Die dynamische Hydrierung von Kohlenoxiden zu Methan (Methanisierung) ist ein solches Beispiel, für das katalytische Reaktoren dynamisch betrieben werden. Ein grundlegendes Verständnis der physikalischen und chemischen Prozesse auf allen relevanten Längen- und Zeitskalen ist notwendig, um diesen Prozess sinnvoll auszulegen. Während viele theoretische und experimentelle Arbeiten in der Vergangenheit der Nano-Skala (Katalysator- und aktive Zentren-Dynamik) oder der Makro-Skala (Reaktordynamik unter transienten Bedingungen) gewidmet wurden, lag der Schwerpunkt bei einigen wenigen auf dynamischen Effekten der Meso-Skala (Inter- und Intra-Partikeldynamik). Im Besonderen sind die Wechselwirkungen zwischen Diffusion und Reaktion im Einzelpartikel gekoppelt mit dem umgebenden Strömungsfeld unter erzwungenen transienten Bedingungen wenig verstanden.

In diesem Projekt soll mit einem kombinierten Ansatz, der detaillierte operando Messtechnik mit detaillierter CFD-Modellierung verbindet, die dynamische Methanisierung am Katalysatoreinzelpartikel untersucht werden. Auf diesen Erkenntnissen basierend kann auf raum-zeitliche Muster geschlossen werden, die in Festbettreaktoren auftreten. Zu diesem Zweck wird ein frei zugängliches Einzelkorn unter klar definierten dynamischen Einlassbedingungen untersucht. Mit Hilfe der Kappillarmesstechnik können die dynamischen, lokalen Temperatur- und Konzentrationsprofile im Inneren des Einzelkorns und in der Gasphasengrenzschicht über einen großen Bereich an Betriebsbedingungen und Störungen erfasst werden. Zusätzlich kann die Oberflächentemperatur mittels IR-Thermographie gemessen werden. Anhand dieses großen Datensatzes wird ein transientes Einzelpartikel-CFD-Modell entwickelt und validiert. Hierbei wird die umgebende Gasphase mit einem dreidimensionalen Reaktions-Diffusions-Modell innerhalb des Partikels gekoppelt. Zudem wird der experimentelle und simulative Aufbau zu einem Feld aus mehreren benachbarten Partikeln erweitert, das den Kernbereich eines Festbettreaktors nachahmt. Hiermit sollen die Erkenntnisse auf Einzelkornebene mit industriell betriebenen Festbettreaktoren der Methanisierung verbunden werden. Abschließend werden Werkzeuge der Systemidentifizierung angewendet, um das dynamische Verhalten des Einzelpartikels unter Störungseinfluss zu beschreiben.