Investigation of the industrial NH3 oxidation by CFD simulations including detailed surface kinetics

In the Ostwald process ammonia is catalytically oxidized to NO at short contact times on platinum/rhodium gauzes. Besides NO as main product, N2 and N2O are also produced. Especially the formation of N2O is critical because of its large environmental influence as greenhouse gas.

This work describes a modelling approach where a mechanistic model of ammonia oxidation on platinum previously published by Kraehnert and Baerns was implemented in a CFD simulation using the rate mapping approach. Three main application fields for this modelling approach have been handled in this work and the following has been found:

• Geometry influence on the process performance of the catalytic gauze The design of catalyst geometries can be improved using the knowledge which has been acquired by CFD simulations with included detailed kinetics. The geometry of the gauzes can be designed avoiding the area with “hot spot” mass transfer coefficients and increased N2O production. Furthermore, using the CFD simulations, the prototype for the geometry can be modeled and tested “in silico” without producing a large number of test samples. This will reduce the costs needed for the design process and the time to market for a new catalysts geometry.

• Influence of the catalyst surface restructuring on the process performance It has been shown that the selectivity on the restructured surface are not uniform. The cauliflower excrescences are much stronger involved in the ongoing reaction and produce the largest amount of N2O.

• CFD modelling of the laboratory scale reactor including complex chemistry on the wire gauzes. It was found that the existing reactor has very strong wall effects, which influence the production rates of NO and N2O. The heat loss of the catalyst to the wall has a significant impact. Due to a large catalyst area with a low temperature, the production of N2O becomes very high.

Das Ostwaldverfahren ist das gängige Verfahren zur Herstellung der Salpetersäure. Die Ammoniakoxidation ist der erste Schritt dieses Verfahrens. Dabei wird Ammoniak bei Temperaturen zwischen 850 – 910 °C - katalysiert durch Platin-Rhodium-Netze - zu NO oxidiert. Bei dieser Reaktion treten Stickstoff (N2) und Lachgas (N2O) als Nebenprodukte auf. Die Bildung von N2O ist besonders kritisch und soll soweit wie möglich verringert werden, da es nicht nur die Selektivität des gewünschten Produkts (NO) herabsetzt, sondern auch ein starkes Treibhausgas ist, welches zur Erderwärmung beiträgt. Hier wird ein Modellierungsansatz vorgestellt, bei dem ein aus der Literatur bekannter kinetischer Mechanismus in einer CFD-Simulation unter Verwendung von Look-up Tabellen implementiert wird. Folgende Anwendungsfelder für solche CFD-Simulationen werden in der vorliegenden Arbeit behandelt: • Der Einfluss der Geometrie von katalytischen Netzen auf die Selektivitäten der Reaktionsprodukte. • Der Einfluss der Oberflächenrestrukturierung des Katalysators auf die Selektivitäten der Reaktionsprodukte. • CFD-Simulationen eines Ammoniakoxidationslaborreaktors mit ortsaufgelösten Katalysatornetzen. Die Ergebnisse können wie folg zusammengefasst werden: • Die CFD-Simulationen zeigen ein realistisches Konzentrations- und Temperaturprofil im Katalysatorpaket. • Die N2O Selektivität variiert entlang des Perimeters. An der vorderen Seite des Drahtes werden höhere N2O Selektivitäten beobachtet. • Der Winkel, unter welchem die Strömung auf den Draht trifft, beeinflusst die N2O Selektivität. • In einer komplexen industriellen Netzgeometrie weisen einzelne Drähte unterschiedliche Produktselektivitäten auf. Diese werden von der Position des Drahtes in der Netzgeometrie und somit von lokalen Massentransferkoeffizienten beeinflusst. • Letztendlich zeigt sich, dass moderne dreidimensionale Stricknetze in der Simulation bessere N2O Selektivitäten aufweisen, als zweidimensionale Webnetze.