Analysis of axial dispersion models for methane pyrolysis in bubble column reactors: From aqueous to liquid metal media

Das Verbrennen von fossilen Energieträgern ist unmittelbar mit der Freisetzung von CO2 verknüpft, was unabschätzbare Folgen für die Umwelt hat. Wasserstoff (H2) gilt als einer der vielversprechendsten CO2-armen Energieträger dieses Jahrhunderts. Die Nachfrage wird voraussichtlich von 100 Millionen Tonnen (2024) auf 375 Millionen Tonnen im Jahr 2050 steigen. Der größte Teil des derzeit produzierten Wasserstoffs setzt aufgrund des industriell angewandten Steam Methane Reforming Prozesses rund 9.5 kg CO2 pro kg H2 frei. Die Methanpyrolyse ermöglicht die direkte Wasserstofferzeugung durch Spaltung von Methangas CH4 in H2 und festen Kohlenstoff, die Reaktion benötigt dabei weniger Energie als die Elektrolyse von Wasser zur Wasserstoffherstellung. Die Methanpyrolyse in einem Flüssigmetall-Blasensäulenreaktor wird mit einem axialen Dispersionsmodell simuliert. Die Grenzen und Einschränkungen dieses spezifischen Modellierungsansatzes für einen industriellen Anwendungsfall werden durch eine Literaturstudie zur Fischer-Tropsch-Synthese ermittelt. Darüber hinaus werden relevante hydrodynamische Parameter zur Beschreibung eines Blasensäulenreaktors vorgestellt und geeignete Korrelationen für die Anwendung in Flüssigmetall recherchiert. Der Methanpyrolyseprozess wird simuliert, verschiedene hydrodynamische Korrelationen werden verglichen und eine Sensitivitätsanalyse von Parametern wird durchgeführt. Die Einschränkungen der vorhandenen Literatur sowie die Grenzen der Anwendbarkeit des Kohlenstoffes werden diskutiert. Die vorliegende Arbeit stellt ein wertvolles Werkzeug zur Abschätzung der Betriebsbedingungen in einer industriellen Anwendung dar, indem Modelldesignparameter und Literaturgleichungen einfach angepasst werden können.