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Multiscale modeling of heterogeneous catalysis in porous metal foam structures using particle-based simulation methods

Multiskalenmodellierung heterogener Katalyse in porösen Metallschäumen mithilfe partikelbasierter Simulationsmethoden

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus4-126488
  • In this work, we investigate and optimize heterogeneous catalysis in porous metal foams. First, we consider the gas dynamics together with the reaction and diffusion processes in individual foam pores on the mesoscale. Second, we condense the detailed simulation results on the mesoscale to relations between few, dimensionless numbers. Based on these relations, we follow a multiscale approach to derive an efficient, one-dimensional, macroscale model for metal foam filled catalytic converters. Due to its industrial relevance, we focus on the mass transfer limited regime. Finally, we develop a simple recipe to determine optimum pore size configurations.For realistic heat release values, theIn this work, we investigate and optimize heterogeneous catalysis in porous metal foams. First, we consider the gas dynamics together with the reaction and diffusion processes in individual foam pores on the mesoscale. Second, we condense the detailed simulation results on the mesoscale to relations between few, dimensionless numbers. Based on these relations, we follow a multiscale approach to derive an efficient, one-dimensional, macroscale model for metal foam filled catalytic converters. Due to its industrial relevance, we focus on the mass transfer limited regime. Finally, we develop a simple recipe to determine optimum pore size configurations.For realistic heat release values, the heat transfer out of the catalytic converter is critical. We show hat, in order to keep temperature fluctuations small, the optimum configuration consists of several, stacked foam segments with decreasing pore size along the main flow direction. For typical parameters, we observe that, compared to foam with constant pore size, the trade-off between chemical conversion and flow resistance can be increased significantly, while the required reactive surface area, i.e., the needed amount of catalytic material, is reduced substantially.show moreshow less
  • Diese Arbeit befasst sich mit der Untersuchung und Optimierung heterogener Katalyse in porösen Metallschaumstrukturen. Zunächst betrachten wir die Strömungsverhältnisse sowie die Reaktions- und Diffusionsprozesse innerhalb einer einzelnen Schaumpore auf Mesoskala. Im Anschluss daran, kondensieren wir die detaillierten Simulationsergebnisse auf Mesoskala zu Zusammenhängen zwischen wenigen, dimensionslosen Kennzahlen. Darauf aufbauend wenden wir einen Multiskalenansatz an, um ein effizientes, eindimensionales, makroskopisches Modell zur Beschreibung heterogener Katalyse in offenporigen, porösen, Metallschäumen abzuleiten. Aufgrund seiner industriellen Bedeutung konzentrieren wir uns auf dasDiese Arbeit befasst sich mit der Untersuchung und Optimierung heterogener Katalyse in porösen Metallschaumstrukturen. Zunächst betrachten wir die Strömungsverhältnisse sowie die Reaktions- und Diffusionsprozesse innerhalb einer einzelnen Schaumpore auf Mesoskala. Im Anschluss daran, kondensieren wir die detaillierten Simulationsergebnisse auf Mesoskala zu Zusammenhängen zwischen wenigen, dimensionslosen Kennzahlen. Darauf aufbauend wenden wir einen Multiskalenansatz an, um ein effizientes, eindimensionales, makroskopisches Modell zur Beschreibung heterogener Katalyse in offenporigen, porösen, Metallschäumen abzuleiten. Aufgrund seiner industriellen Bedeutung konzentrieren wir uns auf das Regime, in dem der Stofftransport den limitierenden Faktor darstellt. Abschließend erstellen wir eine einfache Anleitung, um die optimale Konfiguration für mit Metallschaum gefüllte Katalysatoren zu bestimmen. Für realistische Werte der Reaktionswärme ist die Wärmeableitung aus dem Katalysator entscheidend. Um Temperaturschwankungen gering zu halten, besteht die optimale Konfiguration in diesem Fall aus mehreren, aneinandergereihten Schaumsegmenten mit abnehmender Porengröße entlang der Hauptströmungsrichtung. Für typische Parameter zeigt sich, dass im Vergleich zur Konfiguration mit konstanter Porengröße der Trade-off zwischen chemischer Umwandlung und Strömungswiderstand deutlich verbessert werden kann, wobei gleichzeitig die erforderliche reaktive Oberfläche, d.h. die benötigte Menge an katalytischem Material, erheblich reduziert wird.show moreshow less

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Metadaten
Author:Sebastian Josef Mühlbauer
Persistent identifiers - URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-126488
Persistent identifiers - DOI:https://doi.org/10.25593/978-3-96147-263-5
ISBN:978-3-96147-263-5
Series (Volume number):FAU Forschungen, Reihe B, Medizin, Naturwissenschaft, Technik (30)
Publisher:FAU University Press
Place:Erlangen
Referee:Thorsten Pöschel, Jens Harting
Advisor:Thorsten Pöschel
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of publication:2019
Date of online publication (Embargo Date):2020/01/07
Publishing Institution:FAU University Press
Granting institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Acceptance date of the thesis:2019/08/01
Release Date:2020/01/10
Tag:particle based fluid simulation
SWD-Keyword:heterogeneous catalysis; metal foam; multiscale; optimization; porous media; mass transfer; computational fluid dynamics
Length/size:x, 90 Seiten
Notes:
Parallel erschienen als Druckausgabe bei FAU University Press, ISBN: 978-3-96147-262-8
Institutes:Technische Fakultät
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 66 Chemische Verfahrenstechnik / 660 Chemische Verfahrenstechnik
open_access (DINI-Set):open_access
Collections:Universität Erlangen-Nürnberg / FAU University Press
Licence (German):Creative Commons - CC BY - Namensnennung 4.0 International