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Effective diffusional limitation modeling of a heterogeneous reaction system for computational fluid dynamics application

Yoon, Dongyoung und Lang, Michael und Costa, Rémi und Hong, Jongsup (2024) Effective diffusional limitation modeling of a heterogeneous reaction system for computational fluid dynamics application. Chemical Engineering Journal, 479. Elsevier. doi: 10.1016/j.cej.2023.147578. ISSN 1385-8947.

[img] PDF - Nur DLR-intern zugänglich - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
3MB

Kurzfassung

Diffusional limitation of heterogeneous reaction catalysts is typically fitted or over-generalized without considering the catalyst's physical parameters upon conducting computational fluid dynamics (CFD) analysis of an industrial-scale chemical reactor. Fitting and over-generalization are done to meet computational cost constraints. However, this reduces the reliability of local thermodynamic state analysis and application of calculated results. This study proposes an effective catalytic diffusion-limited model for reliable and cost-effective three-dimensional CFD simulations to overcome such difficulties. The proposed model utilizes simplified equations to compute the diffusional limitation by incorporating the physical parameters of the catalyst. The model is validated using Ni-based cylindrical catalyst pellets for steam-methane reforming and ammonia decomposition reactions, with in-house experiments supporting the fidelity of the model. For practical implementation, the model is applied to three-dimensional CFD simulations of a commercial-scale solid oxide fuel cell (SOFC) hotbox housing a large-scale reformer. Furthermore, a parametric study for inlet gas temperatures and catalyst size is carried out, which provides useful insights into how operating conditions and catalysts affect the transport phenomena and local thermodynamic state of the SOFC hotbox. Consequently, the practicality and versatility of the presented model are established through experiments and simulations.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/199762/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Effective diffusional limitation modeling of a heterogeneous reaction system for computational fluid dynamics application
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Yoon, DongyoungYonsei UniversityNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Lang, MichaelMichael.Lang (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0001-7756-9658NICHT SPEZIFIZIERT
Costa, Rémiremi.costa (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-3534-1935NICHT SPEZIFIZIERT
Hong, Jongsupjongsup.hong (at) yonsei.ac.krNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:Januar 2024
Erschienen in:Chemical Engineering Journal
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Nein
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:479
DOI:10.1016/j.cej.2023.147578
Verlag:Elsevier
ISSN:1385-8947
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Diffusional limitation Heterogeneous reaction kinetics Hydrogen production Steam–methane reforming Ammonia decomposition Solid oxide fuel cell hotbox
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HGF - Programm:Materialien und Technologien für die Energiewende
HGF - Programmthema:Elektrochemische Energiespeicherung
DLR - Schwerpunkt:Energie
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DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):E - Elektrochemische Speicher
Standort: Stuttgart
Institute & Einrichtungen:Institut für Technische Thermodynamik > Elektrochemische Energietechnik
Hinterlegt von: Costa, Dr Rémi
Hinterlegt am:19 Dez 2023 17:26
Letzte Änderung:21 Dez 2023 09:43

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