von Festbettreaktoren für stark exotherme STAR-Konferenz Deutschland 09. und Kevin Seidler / Thomas Eppinger Fachgebiet Verfahrenstechnik

Transkript

1 Kopplung von DEM und CFD zur Simulation von Festbettreaktoren für stark exotherme Reaktionen Cand.-Ing. Kevin Seidler Dipl.-Ing. Thom mas Eppinger

2 Gliederung Motivation Methoden Ergebnisse Zusammenfassung Ausblick

3 Motivation Methan: C H x : Erdgas Ethenbedarf Biogas Westeuropa ca. *10 9 Methanhydrat kg / Jahr Treibhausgas Grundstoff für weltweite Polyethylen, PVC, Emissionen ca. Polysyrol *10 9 kg / Jahr CH 4 + O momentane Nutzung: gar nicht / verbrennen Wärmegewinnung Kat C x + H + H O CO Offe ene Fragen: 1. Reaktionsmechanismus?. Welcher Katalysator ist am Besten geeignet? 3. Welches Reaktorkonzept ermöglich die höchsten Ausbeuten?

4 OCM-Prozess im Festbettreaktor Bulk Boundary Layer Porediffusion Ad- / Desorption Chem. React R 5 P P R R 1 P 8 3 P 7 R R P Durchströmung Reaktor / Reaktorrohr Transport von der Hauptströmung durch die Grenzschicht an die Oberfläche Transport durch die Pore Adsorption, Oberflächenreaktion, Desorption Verwendung detaillierte Reaktionsmechanismen für die Gasphase und für die Oberfläche

5 Problem: Fluiddynamik Stark exotherme Reaktion Rohrbündelreaktor mit geringem D/d-Verhältnis Fluiddynamik: ik vereinfachende Annahm en (z.b. plugflow) treffen nicht zu ortsaufgelöste Simulation

6 Erzeugung regelloser Schüttung DEM (Discrete Element Modelling) Simulation Partikelbewegung Prinzip: Kugeln zufällig verteilt in Domain initiallisiert Nach Start der Rechnung Bewegung über Kräfteeinwirkung Berechnung über Kräftebilanz

7 Schüttungsgenerierung pro STAR / STAR CD Input-File (InputData.dem) Gittererstellung für Domain Nach Berechnung liegen die x-,y- und z-kugelkoordinaten im Outputfile vor STAR - Design Einlesen der Kugelpositionen [Centroid (x,y,z)] Erzeugen der Kugeln mit Zylinder body,create,.. Exportieren als Parasolid (.x_t - File) STAR CCM+

8 STAR-CCM+ - Preprocessing Einlesen des Parasolidfiles Aufteilung der Geometrie und Zuweisung der Randbedingungen Eingabe Netzparameter mit anschließender Vernetzung Aufsetzen der Physik Stationär, einphasig, inkompressibel Laminar oder turbulent Abhängig von Partikel-Re-Zahl: Re P u d = 0 η p

9 STAR-CCM+ - Postprocessing Schüttungsauswertung über Sections Druckverlust über Areaaveraged Report an In- und Outlet Strömungsprofil am Austritt über line-probe XY-Plot

10 Automatisierung, warum eigentlich? D/d-Verhältnisse von bis 14 Kugelanzahl bis zu 1000 Vielzahl von verschiedenen Geometrien Aber: Gleicher Ablauf für verschiedene Schüttungen Abhängigkeit gg weniger Parameter Automatisierung: g Zeit- und ressourcensparend

11 Ablauf Autom matisierung InputData.dem Start.inp Schüttungsdaten: d, n, D, Stoffkennwerte Output.d t dem Sdesign.inp STAR-Design Simulationsfiles: Einteilung.sim, pre.sim, post.sim Auswertungsfiles:.csv Pre.java Post.java Einteilung.java Geom. x_t

12 Ergebnisse: vereinfachte Annahmen Einführung in physikalische Grundlagen: Druckverlust als zentrale Größe Vorraussagen durch empirsche bzw. halbempirische Gleichungen unter bestimmten Bedingungen möglich Ansatz nach Ergun [1951] Δp L = (1 ε ) η u ε d p 1 ε ρ 3 ε d p u 0 Für unendlich ausgedehnte Schüttungen

13 Strömung durch Schüttungen erweiterte Annahmen Jedoch hoher Wandeinfluss Erweiterte Ansatz nach Eisfeld/Schnitzlein 3 Δ sed/sc p d e ( ) p ε 1 ε ρ u 0 L 1 A η = 154 w 1 ε ρ u0 d p + A B w w Mit A w = 1 + D 3 d p ( 1 ε ), B w = d p 1.15 D Effekte: Channeling Reibungsverluste

14 Geometrieauswertung Porosität als zentraler Wert für Fluiddynamik ik Definiert als: ε = V V Bulk Schüttung Auswertung über Sections ε lokal = A Section A Re ferenz Gesamtporosität über Integration

15 Porosität in Abhängigkeit des D/d- Verhältnisses Je nach D/d Verhältnis 0,49 unterschiedliche Porosität 0,48 Porösität (Dixon) Porösität (CFD) 0,47 Nach Dixon [003] folgende 0,46 empirische Gleichung: 0,45 d d ε = D D Poros sität [-] 0,44 0,43 0,4 0,41 Abweichung unter 5% 0, Durchmesserverhältnis D/d [-]

16 Radialer Verlauf der Porosität Poros sität [-] 1, 1 0,8 0,6 0,4 0, lokale Porosität (CFD) lokale Porosität (Giese) 5 Experimentelle Daten durch Giese [1997] Gute Übereinstimmung der mit DEM- generierten Schüttung Grundlage für fluid- dynamische Auswertung dim.- loser Wandabstand y* = (R-r)/d [-]

17 Strömungsverlauf am Schüttungsaustritt Randgängigkeit 6 aufgrund radialen 5 Porositätsverlaufes Unterschiedliche Ausprägung von Wandreibung und Channeling sionlose Ge eschwindigk keit u/u0 [-] dimen Re = 1000 Re = 1-0,8-0,6-0,4-0, 0 0, 0,4 0,6 0,8 1 dimensionsloser Radius r/r [-]

18 Einfluss auf Druckverlust Channeling g erniedrigt Druckverlust Reibungsverluste erhöhen Druckverlust Ansatz von Eisfeld/Schnitzlein erweitert Ergun-Gleichung g um Wandterm dp(cfd)/d p(ergun),5 1, ,5 0 Re = 1 Re = 100 Re = Durchmesserverhätlnis D/d [-]

19 Erweiterter Ansatz nach Eisfeld/Schnitzlein Dimensionslose Form: Δp ρ u 0 mit: A w d p L = ( 1 ε ) 3 ε = A 154 w 1 ε ρ u D d p ( 1 ε ), B w 0 d p = 1.15 D η + d p A B Bessere Übereinstimmung ng w w dime ensionsloser Druckverlu st [-] dim.-loser Druckverlust (Ergun) dim.-loser Druckverlust (Eisfeld, Schnitzlein) dim. -loser Druckverlust (CFD) Partikel-Reynolds-Zahl ld [-]

20 Zusammenfassung Automatisierung Idee der Schüttung Modellerzeugung CFD-Daten In kurzer Zeit viele Schüttungen Vergleich Beurteilung der CFD-Daten: Gute Übereinstimmung der Geometriedaten mit Messwerten Fluiddynamische Ergebnisse gut nachvollziehbar Grundlage für weitere Rechnunge en

21 Ausblick Anpassung der Rechnung an kompletten Ablauf in Festbettreaktor: Zusätzlich kann validiert werden: Wärmeübergang g g (effektive Wärmeleitfähigkeit) Stoffübergang (Diffusions- und Dispersionskoeffizienten) Implementierung der Oberflächen- und Gasphasenchemie über Elementarreaktionen: Optimierung

22 Danke für Ihre Aufmerksamkeit!