Die vorliegende Arbeit befaßt sich mit der numerischen Modellierung von monolithischen Autoabgaskatalysatoren unter Berücksichtigung verschiedener Transportmodelle in Gasphase und poröser Washcoatschicht sowie heterogener Reaktionsmechanismen, die auf Elementarreaktionen aufbauen. Hierbei wird der Einfluß mehrerer Modellparameter auf die Schadstoffumsätze im Katalysator mit Hilfe des Softwarepakets zur Simulation reaktiver Strömungen DETCHEM untersucht. Zunächst wurde eine Parameterstudie durchgeführt, die die Grundlagen der modernen Katalysatoren mit geschlossenzelligen laminaren sowie mit radial-offenen 'turbulenten' Kanälen präsentiert. Man stellt dabei fest, daß die Erhöhung der Effektivität der Abgaskatalysatoren eine Optimierung bezüglich aller Teilschritte der heterogenen Katalyse erfordert. Untersucht wird hierzu ein stationärer isothermer Zylinderkanal mit Hilfe des Modells der Grenzschichtnäherung. Die Transportlimitierung innerhalb der mit Platin beladenen Washcoatschicht wird durch ein Reaktions-Diffusions-Modell beschrieben. Es stellt sich heraus, daß durch Variation der Parameter Temperatur, Washcoatdicke, Porengrößenverteilung und Edelmetallbeladung erhöhte Umsätze von Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen erzielt werden können. Dabei wird jedoch beachtet, daß diese Parameter nur in bestimmten Grenzen zu variieren sind, um schnelle Katalysatordeaktivierung auszuschließen und Herstellungskosten möglichst gering zu halten. Eine weitere Möglichkeit zur Umsatzerhöhung stellen strukturierte Kanäle und perforierte Folien dar, bei denen der äußere Stofftransport durch lokale Turbulenzeffekte intensiviert wird. Die Intensivierung des Stofftransports wird durch ein mit Stofftransportkoeffizienten erweitertes ideales Strömungsrohr-Modell beschrieben. Der zweite Teil der Arbeit behandelt die thermische Deaktivierung von Drei- Wege-Katalysatoren. Hierbei wurde ein numerisches Simulationsmodell entwickelt, das qualitative Aussagen über den Alterungszustand der Katalysatoren ermöglicht. Ausgangspunkt dieser Studie sind externe experimentelle Daten. Gemessen wurden die instationären Temperaturprofile innerhalb und die Schadstoffkonzentrationen am Auslaß von neuen sowie nach unterschiedlichen Mechanismen gealterten Katalysatoren. Je nach Alterungszustand ergeben sich verschiedene Temperaturverläufe im Katalysator. Der implementierte Modellierungsansatz beruht auf der Annahme, daß ein direkter Zusammenhang zwischen den sich infolge der exothermen chemischen Reaktionen ergebenden Temperaturprofilen und der Menge der katalytisch aktiven Komponente existiert. Der Alterungszustand läßt sich dann bestimmen, indem die Dispersion entlang des Katalysators variiert wird, bis die gemessenen und simulierten Temperaturprofile zusammenfallen. Die Berechnungen werden ohne Vorkenntnis der angewendeten Alterungsmechanismen durchgeführt, um objektive Vorhersagen über die Alterungszustände zu ermöglichen. Die Simulationsergebnisse zeigen, daß der verwendete Ansatz prinzipiell einsetzbar ist: die Abnahme der katalytischen Aktivität lässt sich mit der Änderung des Temperaturprofils korrelieren. Man stellt fest, daß unabhängig vom Alterungszustand die höchsten Temperaturgradienten direkt nach dem Katalysatoreinlaß auftreten. Der letzte Teil der Arbeit bietet einen umfassenden Überblick und Vergleich der verschiedenen Modelle zur Simulation von Abgaskatalysatoren. Hierbei werden ein-, zwei- und dreidimensionale Kanalströmungsmodelle unter stationären isothermen Bedingungen betrachtet. Der Einfluß der Transportlimitierung innerhalb des Washcoats wird durch ein vereinfachtes nulldimensionales Effektivitätskoeffizientenmodell sowie durch detaillierte Reaktions-Diffusions-Modelle berücksichtigt. Die insgesamt 18 untersuchten Kanalmodelle werden mit Hilfe der Softwarepakete DETCHEM und FLUENT simuliert und mit experimentellen Daten verglichen. Die Ergebnisse zeigen, daß die radiale Diffusion sowohl in der Gasphase als auch im porösen Washcoat eine wichtige Rolle spielt. Es stellt sich heraus, daß die Transportlimitierung innerhalb des Washcoats den Einfluß des äußeren Stofftransports erheblich verringert. Weiterhin wird gezeigt, daß sich die allgemeinen dreidimensionalen Modelle durch weniger aufwendige zweidimensionale und durch Stofftransportkoeffizienten erweiterte eindimensionale Modelle gut approximieren lassen. Das Effektivitätskoeffizientenmodell kann den mit den Reaktions-Diffusions-Modellen verbundenen Rechenaufwand signifikant reduzieren. Es ist jedoch bedingt anwendbar und hängt stark von der gewählten repräsentativen Spezies ab.
This thesis focuses on the numerical modeling of monolithic converters coupling diverse gas-phase and porous media transport models and detailed heterogeneous reaction mechanisms. It investigates the impact of a wide spectrum of model parameters on the conversion rate of the catalysts using the CFD software package DETCHEM. The first part of the work presents a parameter study based on the fundamentals of the conventional laminar and recently developed turbulent converters. It has been found out that an optimization at every step of the catalytic process is required in order to increase the efficiency of the exhaust gas converters. Here, calculations with a single steady-state isothermal channel of cylindrical shape are carried out using the boundary layer approach. The simulated channel is coated by a porous washcoat layer containing platinum as an active component. The transport limitation within the washcoat is described by means of a reaction-diffusion model which accounts for the distribution of macro- and micro-pores in the porous media. The study shows that an optimization with respect to operating temperature, washcoat thickness, pore radius distribution and noble metal loading results in increased conversion of carbon monoxide and hydrocarbons. However, these parameters can be varied only in certain ranges of values due to limitations such as catalyst deactivation and manufacturing costs. Structured channels and perforated metal foils represent a further option to increase the efficiency of catalytic converters. The local turbulence effects within these constructions lead to intensification of the mass transport. In the current work, this intensification is taken into account by introducing an enhanced plug-flow model with amplified mass transfer coefficients. The second part of the thesis handles the thermal aging of three way catalysts (TWC). The applied simulation approach allows for qualitative prediction of the deactivation state along the catalyst length. The study is based on external experimental data. Transient temperature profiles within new and aged catalysts as well as concentrations of exhaust gas species at the outlet of the catalysts have been measured. Depending on the state of deactivation, different temperature profiles have been measured. The modeling approach used here assumes a direct correlation between the temperature profiles resulting from the exothermal chemical reactions and the quantity of the active component. The state of aging is determined by varying the noble metal dispersion along the catalyst until the measured and calculated temperature profiles coincide. The simulations are carried out without precognition of the way the catalysts have been aged in order to guarantee an impartial prediction of the deactivation state. The calculation results prove the applicability of the used approach: the decrease in catalytic activity can be directly correlated to the temperature changes inside the catalyst. Furthermore, highest deactivation is always observed close to the catalyst inlet. The last part of the work gives a comprehensive overview and comparison of various reacting flow models of catalytic converters. For this purpose, one-, two- and three-dimensional single channel flow simulations have been conducted under isothermal operating conditions. The impact of transport limitation within the porous washcoat is taken into account by means of a simplified zero-dimensional effectiveness coefficient model as well as detailed reaction-diffusion models. In total, 18 channel models are simulated with DETCHEM and with the commercial CFD software package FLUENT and compared with experimental data. The results show that radial diffusion plays an important role in the gas phase as well in the washcoat. It has been found out that the transport limitation within the washcoat considerably reduces the impact of the mass transport in the gas phase on the catalyst's performance. Furthermore, general three-dimensional models are successfully approximated through less computationaly expensive two-dimensional boundary-layer models and enhanced one-dimensional plug-flow models with mass transfer coefficients. Three- and two-dimensional channel models coupled with detailed reaction-diffusion washcoat models provide the best agreement between simulation and experiment. The effectiveness factor approach can substantially reduce the computation time. It strongly depends on the chosen representative species and has a constricted applicability.
Modellierung von Autoabgaskatalysatoren
2010
175 Seiten, Bilder, Tabellen, 114 Quellen
Hochschulschrift
Deutsch
numerisches Verfahren , Strömungssimulation , monolithischer Katalysator , Abgaskatalysator , Gasphase , Pulversuspension , Software , Zylinderkanal , Grenzschicht-gasförmig-fest , Platin , Reaktionsmechanismus , Temperatureinfluss , Kohlenmonoxid , Katalysatordeaktivierung , Herstellungskosten , Folie , Turbulenz , 3D-Modell , 2D-Modell , Kohlenwasserstoffe , Parameterstudie
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