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Computergenerierte Kugelschüttungen in zylindrischen Rohren als Basis für eine differenzierte Modellierung von Festbettreaktoren

Computer-generated randomly packed cylindrical beds of equal spheres as basis for a differentiated modelling of fixed bed reactors

  • In dieser Arbeit wird der Weg zu einem ab-initio Modell für gasdurchströmte Schüttschichtreaktoren dargestellt. Diese Reaktoren zeichnen sich durch eine komplexe Struktur ihres Festbetts aus. Diese Struktur bestimmt die Durchströmung sowie das Vermischungsverhalten dieses Reaktortyps und beeinflußt so auch die chemische Reaktion. Um die Wechselwirkung auf das radiale Vermischungsverhalten von Reaktoren und deren Schüttung zu untersuchen, wurde ein Gesamtmodell geschaffen, daß ausgehend von einer Simulation der Schüttung die Durchströmung beschreibt. Aufbauend auf der Schüttungssimulation wird die Strömung in einem zweidimensionalen Kontinnuumsmodell und einem diskreten Modell beschrieben und mit Messungen verglichen. Dem Autor ist es gelungen, mit dem in dieser Arbeit dargestellten Gesamtmodell, das radiale Dispersionsverhalten eines Festbettreaktors nachzuvollziehen, ohne effektive Parameter dafür zu nutzen. Dieser Vorteil gegenüber den bestehenden Ansätzen entsteht aus der Kopplung der Schüttungsmodelle mit den Strömungsmodellen zuIn dieser Arbeit wird der Weg zu einem ab-initio Modell für gasdurchströmte Schüttschichtreaktoren dargestellt. Diese Reaktoren zeichnen sich durch eine komplexe Struktur ihres Festbetts aus. Diese Struktur bestimmt die Durchströmung sowie das Vermischungsverhalten dieses Reaktortyps und beeinflußt so auch die chemische Reaktion. Um die Wechselwirkung auf das radiale Vermischungsverhalten von Reaktoren und deren Schüttung zu untersuchen, wurde ein Gesamtmodell geschaffen, daß ausgehend von einer Simulation der Schüttung die Durchströmung beschreibt. Aufbauend auf der Schüttungssimulation wird die Strömung in einem zweidimensionalen Kontinnuumsmodell und einem diskreten Modell beschrieben und mit Messungen verglichen. Dem Autor ist es gelungen, mit dem in dieser Arbeit dargestellten Gesamtmodell, das radiale Dispersionsverhalten eines Festbettreaktors nachzuvollziehen, ohne effektive Parameter dafür zu nutzen. Dieser Vorteil gegenüber den bestehenden Ansätzen entsteht aus der Kopplung der Schüttungsmodelle mit den Strömungsmodellen zu einem Gesamtmodell. Bedingt durch den dreidimensionalen Ansatz liefert das diskrete Modell eine realitätsnähere Beschreibung der radialen Dispersion, während das zweidimensionale Kontinuumsmodell einen größeren Detailreichtum bei der Beschreibung der radialen Strömungsprofile zuläßt. Ein wesentliches Element des Gesamtmodells ist das Schüttungsmodell, ohne dessen gute Übereinstimmung mit lockeren Kugelschüttungen die darauf aufbauenden Simulationsschritte nicht möglich wären. Diese gute Kongruenz konnte gegenüber anderen in der Literatur dargestellen Schüttungsmodellen gerade im Randbereich erreicht werden. Eine richtige Beschreibung dieses Bereichs ist notwendig, um Effekte wie Bypassing zu erfassen. Auch bewirkt eine nicht-realitätsnahe Beschreibung dieses Bereichs eine zu geringe Strömung im Kern der Schüttung. Beide Strömungsmodelle des Gesamtmodells zeigen, daß der in dieser Arbeit verwendete Ansatz der Kopplung von Schüttungs- und Strömungsmodell ein Schritt auf dem Weg zu einem ab-initio Modell sein kann. So gelingt es durch die detaillierte Schüttungsstruktur, den effektiven Parameter der radialen Dispersion zu eliminieren, so daß entsprechende Messungen bzw. Abschätzungen für die Simulation eines Reaktors nicht mehr notwendig sind. Dies gilt insbesondere für den Bereich großer Durchmesserverhältnisse von Kugel- zu Reaktordurchmesser, in dem die Abschätzungen, wie sie in der Literatur genutzt werden, nicht mehr validiert sind.show moreshow less
  • In this work an ab-initio model for the gas flow through packed reactors is discussed. These reactors are characterized by a complex structure of their fixed bed. This structure determines fluid-flow as well as the mixture behaviour of this type of reactor and affects therefore the chemical reaction. In order to examine the interaction between the radial dispersion and the packed bed structure, an universal model was created, which is able to simulate the gas flow within the reactor on the base of the packed bed structure. The universal model is based on a packed bed simulation. The gas flow through the model, simulated by a two-dimensional continuums model and a discrete model, was compared with measurements. By using the universal model, that is shown in this work, the author succeeded in reconstructing the radial dispersion behaviour in a fixed bed reactor without using effective parameters for it. This advantage in comparison with approaches is the effect of coupling of the packed bed models with the flow models to a universalIn this work an ab-initio model for the gas flow through packed reactors is discussed. These reactors are characterized by a complex structure of their fixed bed. This structure determines fluid-flow as well as the mixture behaviour of this type of reactor and affects therefore the chemical reaction. In order to examine the interaction between the radial dispersion and the packed bed structure, an universal model was created, which is able to simulate the gas flow within the reactor on the base of the packed bed structure. The universal model is based on a packed bed simulation. The gas flow through the model, simulated by a two-dimensional continuums model and a discrete model, was compared with measurements. By using the universal model, that is shown in this work, the author succeeded in reconstructing the radial dispersion behaviour in a fixed bed reactor without using effective parameters for it. This advantage in comparison with approaches is the effect of coupling of the packed bed models with the flow models to a universal model. Due to the three-dimensional description of reactors the discrete model supplies a closer-to-reality description of the radial dispersion, while the two-dimensional continuum model describes the radial flow profiles more detailed. A substantial element of the universal model is the packed bed simulation. This simulation fits the properties of loose packed beds. So it is a good base for the second simulation step. In contrast to other packed bed models described in literature, this good congruence could be achieved in the boundary region. A correct description of this range is necessary, in order to gather effects such as bypassing. A second effect of a non-close-to-reality description of the boundary region is to cause a too small flow in the core of pouring. Both flow models of the universal model show that the approach of the coupling of a packed bed and a flow model, used in this work, can be a step on the way to an ab-initio model. The detailed packed bed from the packed bed model can be used for simulating the radial mixture behaviour with out the effective parameter of the radial dispersion. This means that appropriate measurements respectively estimations are no longer necessary for the simulation of packed reactors. Therefore the universal model can be used in the range of large diameter rates from spheres to the tube of the packed bed, where estimations known from the literature are not valid any more.show moreshow less

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Metadaten
Author: Carsten Limberg
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-000000302
Referee / Advisor:Prof. Dr.-Ing. Klaus Schnitzlein
Document Type:Doctoral thesis
Language:German
Year of Completion:2002
Date of final exam:2002/06/12
Release Date:2007/03/14
Tag:Computergenerierte Schüttung; Festbettreaktor; Schüttschichtreaktor; Schüttung
GND Keyword:Festbettreaktor; Kugelschüttung; Durchströmung; Numerisches Modell
Institutes:Fakultät 3 Maschinenbau, Elektro- und Energiesysteme / FG Chemische Reaktionstechnik
Institution name at the time of publication:Fakultät für Umweltwissenschaften und Verfahrenstechnik (eBTU) / LS Chemische Reaktionstechnik
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