Packed beds of spheres are a typical reactor for the chemical process industry. In case of small tube to particle diameter ratios, as for example required for highly exothermic reactions due to the limited radial heat exchange, the flow is dominated by local geometric inhomogeneities. As a consequence, only locally resolved investigations can provide a deeper understanding of the involved transport processes. The present work therefore starts with the acquisition and analysis of the geometric structure of packed beads in narrow tubes. For that purpose, data obtained by imaging techniques (Magnetic Resonance Imaging) is used, and a numerical approach based on a Monte Carlo method is developed to synthetically generate the geometric structure. The subsequent spatially resolved flow simulations are carried out using a lattice Boltzmann approach which was implemented specifically with the needs of high performance computers in mind. The obtained results demonstrate that pore-scale simulations allow a detailed analysis of the transport processes and that they are feasible using appropriately implemented recent numerical techniques and the power of contemporary high performance compute clusters.

Durchströmte Kugelschüttungen sind ein in der chemischen Verfahrenstechnik häufig anzutreffender Reaktortyp. Bei kleinen Rohr- zu Kugeldurchmesserverhältnissen, wie dies beispielsweise bei stark exothermen Reaktionen aufgrund des beschränkten radialen Wärmeaustauschs nötig ist, werden die Strömungsverhältnisse durch lokale geometrische Inhomogenitäten dominiert. Nur ortsaufgelöste Betrachtungen können dann ein vertieftes Verständnis für die ablaufenden Transportprozesse liefern. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich daher zunächst mit der Gewinnung und Analyse der geometrischen Struktur von Kugelschüttungen in engen Rohren. Dazu werden Daten bildgebender Verfahren (Magnetresonanztomographie) genutzt, sowie ein numerischer Ansatz für die Geometriegewinnung auf Basis einer Monte-Carlo-Methode entwickelt. Zur anschließenden ortsaufgelösten Strömungssimulation wird ein Lattice-Boltzmann-Ansatz verwendet, der speziell unter Berücksichtigung der Anforderungen moderner Hochleistungsrechner implementiert wurde. Die erhaltenen Ergebnisse demonstrieren, dass dreidimensionale numerische Simulationen auf der Skala des Porenraums eine detaillierte Analyse der Transportprozesse erlauben und dass sie mit modernen numerischen Verfahren bei entsprechender programmiertechnischer Umsetzung auf heutigen Hochleistungsrechnern auch durchführbar sind.