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

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 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.