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Reaction kinetic parameters for a distributed model of transport and reaction in Pd/Rh/CeZrO three-way catalytic converters
Parámetros cinéticos de reacción para un modelo distribuido de trasporte y reacción en catalizadores de tres vías de Pd/Rh/CeZrO
DOI:
https://doi.org/10.15446/dyna.v86n210.78596Palabras clave:
three-way catalyst, mathematical model, diffusion, kinetic parameters (en)catalizador de tres vías, modelo matemático, difusión, parámetros cinéticos (es)
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This paper presents a two-dimensional distributed model for the transport and reaction of combustion gases in channels of three-way catalytic converters, considering a detailed reaction kinetics with 16 chemical reactions in palladium and rhodium catalysts, and taking into account diffusive effects within the coating, to obtain a new set of reaction kinetic parameters that do not depend on the thickness of the coating. The model was solved using a finite volume method with a first order upwind scheme and simulations were conducted using computational fluid dynamics. The model with the new distributed reaction kinetic parameters, produced an excellent agreement with the experimental data of concentration at the end of the channels. Also, the model reproduced the most important concentration changes for the gas components in the specified temperature range and allowed simulations with excess oxygen and different thicknesses.
Este artículo presenta un modelo distribuido bidimensional para el transporte y reacción de gases de combustión en canales de convertidores catalíticos de tres vías, considerando una cinética de reacción detallada con 16 reacciones químicas en catalizadores de paladio y rodio, teniendo en cuenta los efectos difusivos dentro del recubrimiento, para obtener un nuevo conjunto de parámetros cinéticos de reacción no dependientes del grosor del recubrimiento. El modelo se resolvió utilizando un método de volumenes finitos con un esquema de primer orden upwind y las simulaciones se realizaron utilizando dinámica de fluidos computacional. El modelo con los nuevos parámetros cinéticos de reacción distribuidos, produjo un excelente ajuste con los datos experimentales de concentración al final de los canales. Además, el modelo reproduce los cambios de concentración más importantes para los componentes del gas en el rango de temperatura especificado y permitía simulaciones con exceso de oxígeno y diferentes espesores.
Referencias
N. Guill, V. Rico, A. Garc, D. Lozano, and A. Bueno, “Three-way Catalysts: Past, present and future,” DYNA, año 79, Espec. Ed., pp. 114–121, 2012.
H. Gandhi, “Automotive exhaust catalysis,” J. Catal., vol. 216, no. 1–2, pp. 433–442, Jun. 2003.
I. Mavroidis and a. Chaloulakou, “Long-term trends of primary and secondary NO2 production in the Athens area. Variation of the NO2/NOx ratio,” Atmos. Environ., vol. 45, no. 38, pp. 6872–6879, Dec. 2011.
D. Leung and E. Hayes, “Diffusion Limitation Effects in the Washcoat of a Catalytic Monolith Reactor,” Can. J. Chem. Eng., vol. 74, pp. 94–103, 1996.
R. E. Hayes and S. T. Kolaczkowski, “Mass and heat transfer effects in catalytic monolith,” Chem. Eng. Sci., vol. 49, no. 21, pp. 3587–3599, 1994.
S. B. Kang, S. J. Han, I.-S. Nam, B. K. Cho, C. H. Kim, and S. H. Oh, “Detailed reaction kinetics for double-layered Pd/Rh bimetallic TWC monolith catalyst,” Chem. Eng. J., vol. 241, pp. 273–287, Apr. 2014.
R. E. Hayes, B. Liu, R. Moxom, and M. Votsmeier, “The effect of washcoat geometry on mass transfer in monolith reactors,” Chem. Eng. Sci., vol. 59, no. 15, pp. 3169–3181, Aug. 2004.
G. Groppi, A. Belloli, and E. Tronconi, “A comparison of lumped and distributed models of monolith catalytic combustors,” Chem. Eng. Sci., vol. 50, no. 17, pp. 2705–2715, 1995.
V. Novák, P. Kočí, M. Marek, F. Štěpánek, P. Blanco-García, and G. Jones, “Multi-scale modelling and measurements of diffusion through porous catalytic coatings: An application to exhaust gas oxidation,” Catal. Today, vol. 188, no. 1, pp. 62–69, Jul. 2012.
M. Dudák, V. Novák, P. Kočí, M. Marek, P. Blanco-García, and G. Jones, “Prediction of diffusivity and conversion of n-decane and CO in coated Pt/γ-Al2O3 catalyst depending on porous layer morphology,” Appl. Catal. B Environ., vol. 150–151, pp. 446–458, May 2014.
C. Hauck, S. Tischer, L. Maier, and O. Deutschmann, “Modelling of local aging effects of commercial three-way catalysts: Spatial temperature and CO conversion profiles,” Can. J. Chem. Eng., vol. 92, no. 9, pp. 1587–1596, 2014.
J. Koop and O. Deutschmann, “Detailed surface reaction mechanism for Pt-catalyzed abatement of automotive exhaust gases,” Appl. Catal. B Environ., vol. 91, no. 1–2, pp. 47–58, 2009.
N. Mladenov, J. Koop, S. Tischer, and O. Deutschmann, “Modeling of transport and chemistry in channel flows of automotive catalytic converters,” Chem. Eng. Sci., vol. 65, no. 2, pp. 812–826, 2010.
R. Holder, M. Bollig, D. R. Anderson, and J. K. Hochmuth, “A discussion on transport phenomena and three-way kinetics of monolithic converters,” Chem. Eng. Sci., vol. 61, no. 24, pp. 8010–8027, Dec. 2006.
R. E. Hayes, S. T. Kolaczkowskib, P. K. C. Li, and S. Awdry, “Evaluating the effective diffusivity of methane in the washcoat of a honeycomb monolith,” Appl. Catal. B Environ., vol. 25, pp. 93–104, 2000.
V. Novák, P. Kočí, T. Gregor, J.-S. Choi, F. Štěpánek, and M. Marek, “Effect of cavities and cracks on diffusivity in coated catalyst layer,” Catal. Today, vol. 216, pp. 142–149, Nov. 2013.
A. Fadic, T.-W. Nien, J. Mmbaga, R. E. Hayes, and M. Votsmeier, “A case study in multi-scale model reduction: The effect of cell density on catalytic converter performance,” Can. J. Chem. Eng., vol. 92, no. 9, pp. 1607–1617, Sep. 2014.
S. Sabatini, S. Gelmini, M. A. Hoffman, and S. Onori, “Design and experimental validation of a physics-based oxygen storage — thermal model for three way catalyst including aging,” Control Eng. Pract., vol. 68, no. September, pp. 89–101, 2017.
B. A. Hoyos, J. G. Cadavid, and H. Rangel, “Formulation and numeric calculation of non-isothermal effectiveness factor for finite cylindrical catalysts wit bi-dimensional diffusion,” Lat. Am. Appl. Res., vol. 22, pp. 17–22, 2004.
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