Verlag des Forschungszentrums Jülich

JUEL-4120
Stalling, Jan
Bewertung des Einsatzes von Mikrostrukturen in mobilen Brenngaserzeugungseinheiten
II, 156 S., 2004

In der vorliegenden Dissertation wurde der Einsatz von Mikrostrukturen im Wärmeübertragernetzwerk und den Reaktoren der Gas- beziehungsweise Abgasnachbehandlung einer mobilen Brenngaserzeugungseinheit experimentell und theoretisch untersucht . Die Brenngaserzeugung basiert hierbei auf der katalytischen, autothermen Reformierung von dieselvergleichbaren Kraftstoffen . Die experimentellen Arbeiten beinhalteten vereinfachte Versuchsanordnungen und erste Prototypen von Mikro-Wärmeübertragern . Der theoretische Teil befasste sich mit der fluiddynamischen Modellierung der relevanten Transportvorgänge in mikrostrukturierten Apparaten .
Bei der thermohydraulischen Charakterisierung zeigt sich ein stark zunehmender Druckverlust, wenn die Längenabmessung der Struktur reduziert wird . Der laminar-turbulente Strömungsumschlag ist in kleinen Strukturen unterhalb des gängigen Lehrwerts der bestimmenden dimensionslosen Kennzahl zu beobachten . Die Wärmeübergangseigenschaften werden positiv durch reduzierte Strukturabmessungen beeinflusst. Sie steigen aber nicht im gleichen Ausmaß wie der Druckverlust. Hieraus folgt, dass eine sehr weitgehende Miniaturisierung bei der Betrachtung von thermischen Apparaten nicht sinnvoll ist. Optimale Strukturabmessungen sind in einer Größenordnung zwischen 0,4 bis 1 mm anzusiedeln . Die untersuchten Wärmeübertrager können das vorhandene Potenzial zur Volumen- und Gewichtsreduktion aufzeigen, bedürfen aber einer gründlichen konstruktiven Überarbeitung.
Bei den anwendungsorientierten, katalytischen Untersuchungen wurden alle Prozessstufen der Gas- und Abgasnachbehandlung betrachtet. Bei den Katalysatoren für die Shift-Reaktion zeigt sich insgesamt eine mäßige Aktivität. Ein edelmetallbasierter Katalysator ist bei fehlender Langzeitstabilität deutlich aktiver als ein auf unedlen Metallen basierender Konkurrent. Der für die selektive CO-Oxidation untersuchte Edelmetallkatalysator weist bei mäßiger Aktivität ein sehr enges Temperaturfenster auf, in dem ein optimaler Reaktorbetrieb möglich ist. Bei der H2-Oxidation sind hohe Raumgeschwindigkeiten, niedrige Reaktionstemperaturen oder geringe Beladungen mit katalytisch aktiver Komponente möglich. Für die CH4-Oxidation sind deutlich längere Verweilzeiten, höhere Reaktionstemperaturen und Beladungen mit aktiver Komponente notwendig, wenn der geforderte vollständige Umsatz erreicht werden soll . Für die H2-Oxidation ist Platin, für die CH4-Oxidation hingegen Palladium die geeignetere aktive Komponente . Bei allen Reaktionen kann ein verbessertes Umsatz-Temperaturverhalten in kleineren Strukturen beobachtet werden .
Die fluiddynamische Modellierung kann für die Apparateauslegung und Optimierung hinsichtlich der relevanten Größen des Druckverlustes, des Wärmeübergangs und der chemischen Reaktionen verwendet werden, wie der Vergleich von experimentellen Daten und Simulationsergebnissen zeigt. Das für den diffusiven Stofftransport in mikrostrukturierten und monolithischen Apparaten entwickelte Modell beschreibt in geeigneter Weise die relevanten Transportprozesse im Strömungskanal und der porösen Katalysatorstruktur. Simulationen mit diesem Modell sowie Berechnungen auf Basis der experimentell bestimmten maximalen Katalysatorbelastungen verdeutlichen, dass eine direkte Kombination von Wärmeübergang mit chemischer Reaktion in einem Apparat erst bei deutlich aktiveren Katalysatoren sinnvoll beziehungsweise möglich ist.


In this thesis the application of microstructures for heat exchangers and reactors in the gas treatment system of a fuel processing unit for mobile applications based on catalytic autothermal reforming of diesel-like fuels was experimentally and theoretically investigated . The experimental work involved simplified experimental setups and prototypes of microchannel heat exchangers. The theoretical part dealt with the fluid dynamic modelling of the transport phenomena that are relevant in microstructured and monolithic apparatus. The thermohydraulic characterisation of microchannels shows a sharp increase in the pressure drop if the characteristic length of the channels is reduced. The transition from laminar to turbulent flow occurs at lower Re-numbers than on a larger scale . The heat transfer coefficients improve, if the channel size is reduced, but this enhancement is less pronounced than the increasing pressure drop . Therefore very tiny structures are not optimal as far as heat exchanger equipment is concerned . The optimal size is in a range of approximately 0.4 to 1 mm. The prototypes studied indicate the potential for reducing the weight and the volume of the required heat exchanger equipment by the incorporation of microstructure technology. However, for further optimisation there is a need for a thorough revision of the construction principle.
Application-oriented, catalytic investigations were performed for all reactions in the gas treatment. The catalysts for the water-gas shift reaction show only a moderate catalytic activity. The catalyst based on precious metals is more active than a base metal catalyst, but lacks the required long-term stability if hydraulically coated on a metallic substrate. The catalyst used for the selective oxidation of CO shows a poor performance and a narrow temperature window for optimal reactor operation. The oxidation of hydrogen can be accomplished at high space velocities, low reaction temperatures or low loadings with catalytically active component. For the oxidation of methane longer residence times, higher reaction temperatures and higher loadings with catalytically active component are needed if complete conversion of methane is required . A platinum-based catalyst is very well suited for the catalytic combustion of hydrogen. In the case of methane, the palladium-based catalyst tested is more active in comparison to the platinum catalyst. For all reactions under consideration here conversion at constant reaction temperature increases if the channel size is reduced .
The comparison of experimental data with results of computer simulations shows that fluid dynamic modelling can be used for dimensioning and optimisation of micro reactors and heat exchangers concerning all relevant figures such as pressure drop, heat transfer and chemical reactions. The model for mass transport by mulitcomponent diffusion, which differentiates between the channel and the porous catalyst layer, is suitable for describing the relevant transport phenomena.
None of the catalysts under consideration in this thesis are active enough to justify an integration of a heat exchanger into a reactor of the gas treatment system of fuel processors for mobile applications . This can be shown by simulation results and experimental data.

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Letzte Änderung: 07.06.2022