Numerische Simulation der reversen Wassergas-Shift-Reaktion im Wabenkatalysator mit COMSOL-Multiphysics

Abstract

Ziel dieser Arbeit ist der Aufbau eines zweidimensionalen Modells eines Wabenkatalysators zur numerischen Simulierung der rwgs-Reaktion in COMSOL-Multiphysics. Weiterführend sollen im Rahmen dessen unterschiedliche Reaktionskinetiken aus der Literatur ausgewählt und in das Modell implementiert werden, um ein aussagekräftiges Gesamtkonzept für mögliche zukünftige Großanlagen zu erschließen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden als erster Aspekt vorbereitende Simulationen durchgeführt. Die Vorbereitung gliedert sich hierbei in eine Gitterstudie, der Validierung eines Strömungsprofils, die Auswahl unterschiedlicher kinetischer Ansätze sowie einer Gleichgewichtssimulation und dem Vergleich mit einem ASPEN-Plus R-Modell. Weiterführend findet eine Versuchsreihe bei einer Variation der Edukte statt. Insbesondere werden hierbei die Konzentrationen der Edukte H2O, CH4 sowie das Verhältnis H2=CO2 variiert und entsprechend in Hinsicht auf die CO- und CH4-Ausbeute beurteilt. Abgeschlossen werden die Versuchsreihen mit einer adiabaten Simulation mit Wärmekopplung, einer wirtschaftlichen Optimierung durch eine Reduzierung der kostenintensiven Katalysatorfläche sowie dem Vergleich von experimentellen Datensätzen mit simulierten Ergebnissen. Durch die Validierung der durchgeführten Simulationen mit den Experimenten konnte gezeigt werden, dass mit entsprechender Kinetik die simulierten Ergebnisse im Temperaturbereich zwischen 700 – 900 °C bei 25 bar gut abgebildet werden können.