(Reaktive) CFD und MRI in katalytischen Reaktoren

Der Einsatz von erneuerbaren Energien führt notgedrungen zu einer Fluktuation in der Stromproduktion, wodurch Konzepte wie Power-to-Gas (PtG) und Power-to-Liquid (PtL) zunehmenden in den Fokus der Forschung und der Gesellschaft gerückt sind. Sie sind potentiell gute Optionen zur Speicherung von Überschussstrom, was beispielsweise für die Methanisierung von CO₂  sowie die Fischer-Tropsch-Synthese (FTS) gilt.

Katalytische Reaktoren bilden den Grundpfeiler vieler Prozesse in der chemischen Industrie und sind auch die Grundlage für diese PtG und PtL Verfahren. Trotz der breiten Verwendung katalytischer Reaktoren seit deutlich mehr als 100 Jahren ist das Wissen um die lokalen Bedingungen in den Reaktoren sehr begrenzt. Dieses Wissen ist jedoch essenziell, um die Prozesse als Ganzes zu optimieren und somit ökonomischer und ökologischer zu gestalten. Der Bereich der numerischen Strömungssimulationen (Computational Fluid Dynamics, CFD) bietet völlig neue Möglichkeiten, die Prozesse in den Reaktoren mit hoher Auflösung zu simulieren und somit das fundamentale Wissen über die lokalen Prozessbedingungen zu erweitern.

In unserer Arbeitsgruppe kombinieren wir die reaktive CFD (rCFD), in der neben der Strömung und dem Wärmeübergang auch die chemische Reaktion simuliert wird, mit Magnetresonanzbildgebung (Magnetic Resonance Imaging, MRI) in der Gasphase. Diese ist deshalb besonders anspruchsvoll, weil Gase durch die geringe Dichte nur sehr wenig Signal im Magnetresonanztomographen erzeugen und ein spezielles Vorgehen nötig ist. Durch eine neuartige Methode ist es dabei möglich, die Spezieskonzentrationen und die Temperatur direkt in der Gasphase zu messen. Ergebnisse sind in der Dissertation von Kevin Kuhlmann zu finden und auszugsweise hier abgebildet.