Stromingsleer-geassisteerd ontwerp van een multi-fase chemische reactor voor het vrijzetten van waterstof.

Dit doctoraatsonderzoek richt zich op het ontwikkelen, optimaliseren en simuleren (via numerieke stromingsleer of computational fluid dynamics, CFD) en het testen van Multi fase chemische reactors voor de geïntensifieerde vrijzetting van waterstof uit vloeibare organische waterstof dragers (liquid organic hydrogen carriers, LOHC). Het ultieme doel van is het gebruik van deze technologie voor scheepsmotoren aangedreven door waterstof. De reactor zal ontwikkeld worden aangepast aan de noden van de dehydrogenatie van LOHC, d.i. een traag endotherm heterogeen katalytisch proces, waarbij grote volumes gas worden vrijgezet. De chemische reactie vereist specifiek: i) een nauw contact tussen de vloeistof en de katalysator, ii) een efficiënte en snelle verwijdering van de waterstof, zonder LOHC mee te nemen, iii) een efficiënte overdracht van warmte om de endotherme reactie aan te drijven zonder te veel thermische stress op de vloeistof te zetten, iv) een korte contacttijd tussen de katalysator en de LOHC, v) de mogelijkheid om hoge stroomsnelheden van LOHC om tegemoet te komen aan de trage dehydrogenatiekinetiek van de LOHC en ten slotte, vi) een compensatie voor het effect van de bewegingen van een varend schip in de gas- vloeistofinterfase. Het ontwerpen van dit ideale toestel staat garant voor een aanzienlijke uitdaging en de perfecte reactor voor deze taak bestaat nog niet. Daarom wordt er gekeken om de geometrie aan te passen, zodat de elementaire stappen van een globale chemische die leiden tot het gewenste eindproduct, worden gepromoot. Als deel van dit onderzoek, zullen de bouwblokken worden neergelegd voor de procedure om geautomatiseerde reactors te ontwikkelen: De optimalisatie van de reactor geometrie zal worden uitgevoerd, gebruik makend van een ingeperkte vorm optimalisatie strategie, vanuit een initieel geparameteriseerde geometrie. De inperkingen van de optimalisatieprocedure zijn de massa, energie en impuls balansen, die numeriek geëvalueerd worden gebruik makend van CFD met de open source code OpenFoam. Een initieel geparameteriseerde geometrie (dus een chemische reactor configuratie om uit te itereren) is nodig. De doctoraatstudent zal eerst de mogelijke reactor configuraties bekijken uit te literatuur, maar de promotor stelt ab initio een veralgemening voor van een gasfase – vaste stof vortex reactor (GVVR) voor. Voor de gebruikte toepassing wordt dit dan een gas – vloeistoffase – vaste stof vortex reactor (GVVVR). Dit type van centrifugale reactor combineert verschillende interessante eigenschappen. Op voldoende hoge omwentelingssnelheid is er geen effect meer van zwaartekracht. De aanwezigheid van een lagedruk zone langs de centrale as laat het toe om een geprefereerde gas uitstroom te hebben. De GVVR is ook een centrifugaal apparaat, dit combineert dus de reactie- en scheidingsfuncties. De parameters die dienen geoptimaliseerd te worden voor deze reactor configuratie zijn het aantal openingen, hun relatieve plaatsing, de hoogte van het apparaat, de diameter van de reactiekamer, de positie en diameter van zowel het instroom- als het uitstroomkanaal van de LOHC. CFD kan nog steeds niet bestaan zonder experimentele validatie, zeker niet in de context van het simuleren van turbulente reactieve stromingen die gebruik maken van het tweestromenmodel (Euleriaanse – Euleriaans benadering). Een setup voor experimentele validatie en demonstratie zal worden gebouwd. De techniek van Particle Image Velocimetry zal worden toegepast om zowel de vloeistofstroom (de vloeistoffase wordt dan gevoed met tracerdeeljes) als het katalysator bed te valideren. Door het interdisciplinaire karakter van het voorgestelde onderzoek, moet de student beschikken over een aanzienlijke kennis in verschillende complementaire onderzoeksvelden – het chemische (chemie en katalyse), het ingenieur technische (CFD), het programmeervaardige (C++®, Python®, CFD) aspect moet beheerst worden op zowel een theoretisch, computationeel als experimenteel vlak.

Trefwoorden:PROCESINTENSIFICATIE, COMPUTATIONELE VLOEISTOFFENDYNAMICA, WATERSTOF, REACTOREN

Disciplines:Reactiesystemen, Modellering, simulatie en optimalisatie, (Bio)chemische reactoren, Intensificatie, (Multifase) stromen