Προσομοιώσεις CFD σε καταλυτικούς αντιδραστήρες σταθερής κλίνης

Abstract

Η τεράστια ενεργειακή ζήτηση, τα κόστη παραγωγής, η εξάρτηση από ενεργειακές πηγές, τα κόστη από τις εκπομπές CO2 και το φαινόμενο του θερμοκηπίου καθιστούν επιτακτική την ανάγκη για εναλλακτικές λύσεις στην ενεργειακή βιομηχανία. Η μετατροπή του άνθρακα και της βιομάζας σε υποκατάστατο φυσικού αερίου (Substitute Natural Gas-SNG), μέσω της διαδικασίας της μεθανοποίησης, ενισχύει την ιδέα της τοπικής παραγωγής ενέργειας μέ την τροφοδότηση των υπαρχόντων δικτύων φυσικού αερίου και επομένως μειώνοντας την εξάρτηση από τις πηγές φυσικού αερίου. Η υπολογιστική Ρευστομηχανική ως εργαλείο προσομοίωσης επιτρέπει την πρόβλεψη, το σχεδιασμό και τη βελτιστοποιήση των νέων προϊόντων και διαδικασιών μειώνοντας την ανάγκη για ακριβό πειραματικό εξοπλισμό. Στην παρούσα διπλωματική, ερευνώνται οι υπάρχουσες μέθοδοι CFD για προσομοιώσεις καταλυτικών αντιδραστήρων μεθανοποιήσης. Η εκετνής βιβλιογραφική έρευνα ανέδειξε τα πλεονεκτήματα και τους περιορισμούς των δύο βασικών μεθόδων προσομοίωσης, τη μέθοδο πορώδων υλικών και τη διακριτή μέθοδο με την τρισδιάστη αναπάρασταση του αντιδραστήρα. Για την πιο ακριβή πρόβλεψη της διαπερατότητας, της μεταφοράς θερμότητας, και της αποτύπωσης των τοπικών φαινομένων, που επηράζουν την αποδοτικότητα και τη σταθερότητα του αντιδραστήρα , επιλέχθηκε η τριασδιάστατη αναπαράσταση των καταλυτικών σωματιδίων μέσα στον αντιδραστήρα. Η περιορισμένη βιβλιογραφία για τη διακριτή μέθοδο οδήγησε στα πρώτα βήματα των προσομοιώσεων, δηλαδή τη σχεδίαση της γεωμετρίας όπου μπορεί να δημιουργηθεί ένα πλέγμα. Η Μέθοδος Διακριτών Στοιχείων ( Discrete Element Method-DEM) χρησιμοποιήθηκε για την προσομοιώση της τυχαίας διάταξης των καταλυτικών σωματιδίων. Ο κώδικας που δημιουργήθηκε στη C γλώσσα προγραμματισμού παρέχει τη δυνατότητα του αυτόματου σχεδιασμού της γεωμετρίας στο πρόγραμμα Gambit. Οι κώδικες και τα αποτελέσματα από τη γεωμετρία και τα πλέγματα που δημιουργήθηκαν καθώς και η έρευνα για τα πλέγματα εμεπεριέχονται στην παρούσα διπλωματική. Επιπλέον μέσα από τη βιβλιογραφική έρευνα προτείνονται τα απαραίτητα μοντέλα για τις CFD προσομοιώσεις.

The huge energy demand, the production costs, the dependency of energy resources, the CO2 costs emissions and the global warming effect emerge the need of alternative solutions in the energy industry. The conversion of coal and biomass into Substitute Natural Gas (SNG) via the methanation process enhances the concept of local energy production fed into existing natural gas grids and thus reducing the dependency from gas resources. Computational Fluid Dynamics as a simulation tool permits the prediction, the designing and optimization of new products and processes, decreasing the need of expensive experimental equipment. For the subject documented in this diploma thesis, the existing methods of CFD simulations of Methanation Catalysts have been investigated. An extended literature research has raised the limitations and achievements of the two basic simulation methods, the porous media and the 3D representation of the geometric structure of the packing. For the accurate prediction of the porosity, the heat transfer, the reflection of local effects that control the efficiency and the stability of the reactor the 3D representation of the catalytic particles were chosen. The limited literature and research have led to the very first steps of this simulation, the generation of a geometry where a mesh can be created. The Discrete Element Method was used to simulate the random packing of the particles. A code created in c programming language provides the opportunity to generate automatically the packed geometry to the pre-processing designing program Gambit. Within the research for this diploma thesis a case study is provided in order to create a mesh able geometry as well as the created codes and the results from the obtained meshes. Furthermore implementations of models for the CFD simulation according to the literature research are suggested.