Proyecto de simplificaciones en el modelado de reactores monolíticos con recubrimiento catalítico multicapa

Abstract

[ES] Hoy en día, la concienciación sobre los efectos de la contaminación antropogénica en el medio ambiente y las legislaciones de los distintos gobiernos, especialmente los europeos, han suscitado la necesidad de buscar alternativas de abastecimiento energético que sustituyan a los métodos tradicionales. La electrificación y el desarrollo de tecnologías basadas en hidrógeno tienen sus bondades intrínsecas como la reducción de las emisiones de dióxido de carbono en zonas urbanas. Sin embargo, por sí solas no se tratan de una solución a la problemática global mientras los medios para producir la energía eléctrica y el hidrógeno no sean sostenibles y eficientes, teniendo en cuenta además que los residuos generados sean mínimos. Los motores de combustión interna alternativos actuales han sido el fruto de un continuo desarrollo a lo largo de la historia que los ha situado como la norma en el transporte tanto marítimo como terrestre. Esto ha sido en parte gracias a la mejora del rendimiento a lo largo de los años, pero sobre todo a la densidad energética que ofrecen, dotándolos de una autonomía incomparable. El desarrollo de los sistemas de postratamiento, junto con el de combustibles alternativos, se postulan como algunas de las soluciones del futuro, permitiendo aprovechar las ventajas de estos y a su vez haciéndolos más limpios. Entre los sistemas de postratamiento se encuentran los catalizadores, que además son el objeto de estudio de este trabajo. Su funcionamiento consiste en la transformación de especies contaminantes en otras que no lo sean. Entre los contaminantes más destacados se encuentran los óxidos de nitrógeno, los cuales son producidos en la cámara de combustión debido principalmente a las altas temperaturas y a la presencia de nitrógeno y exceso de oxígeno en el aire de admisión. Estos, componen un gas toxico, irritante y precursor de la formación tanto de smog fotoquímico a través principalmente de la síntesis de ozono como de nitratos y ácido nítrico, siendo este último partícipe de la formación de lluvia ácida. Para su reducción existen principalmente dos tipos de catalizadores. En motores gasolina se puede utilizar el llamado catalizador de tres vías tanto para la oxidación de monóxido de carbono e hidrocarburos sin quemar como para la reducción de óxidos de nitrógeno. En el caso de motores Diesel este método es inviable debido a que al existir exceso de aire las moléculas que necesitan oxidarse tienen más afinidad por hacerlo con el oxígeno libre. En motores Diesel es necesario utilizar un catalizador adicional llamado catalizador de reducción selectiva. Mediante la adición de amoniaco en la mezcla de gases, se consigue que los productos sean nitrógeno molecular y agua. Pero no es tan simple, el amoniaco también es un contaminante y al añadirlo a la mezcla de gases existe el riesgo de que este sea emitido a la atmósfera. Durante fases de alto grado de carga del motor en las que la temperatura de los gases de escape aumenta, el amoniaco acumulado en el catalizador se desprende de este y es arrastrado aguas abajo. Es por esto que a la cola de estos sistemas de postratamiento se encuentra el catalizador de amoniaco, el cual está compuesto de una capa que transforma el amoniaco en óxidos de nitrógeno y otra de catálisis de reducción selectiva. El modelado, es una tecnología que en el caso de sistemas de postratamiento se utiliza para predecir la composición de los gases una vez pasan por el catalizador. Esto es útil tanto para el diseño de los mismos, como para el control durante la circulación permitiendo prescindir de sensores específicos y obteniendo una respuesta más rápido incluso que el tiempo real. En reactores con recubrimiento catalítico bicapa, como el catalizador de oxidación de amoniaco, se pretende caracterizar las tasas de reacción que modifican la composición de las fases y los procesos de transporte de masa difusivos entre las mismas. En este trabajo se estudia la viabilidad de implementar hipótesis simplificativas en el planteamiento de las ecuaciones de transporte, tanto en los términos reactivos como difusivos, para obtener programas de menor coste computacional sin perder fiabilidad en los resultados

[EN] Nowadays, awareness about the effects of anthropogenic pollution on the environment and the legislation of different governments, especially European ones, have raised the need to look for energy supply alternatives that replace traditional methods. Electrification and the development of hydrogen-based technologies have their intrinsic benefits such as the reduction of carbon dioxide emissions in urban areas. However, by themselves they are not a solution to the global problem if the way to produce electrical energy and hydrogen are not sustainable and efficient, also considering that the waste generated was minimal. Today's alternative internal combustion engines are the result of continuous development throughout history that has placed them as the standard in both maritime and land transport. This has been partly thanks to improved performance over the years, but above all to the energy density they offer, giving them incomparable autonomy. The development of aftertreatment systems, together with development of alternative fuels, are postulated as some of the solutions of the future, allowing us to take profit of their advantages and at the same time making them cleaner. Among the aftertreatment systems are catalysts, which are also the object of study of this paper. Its operation consists of the transformation of polluting species into others that are not polluting. Among the most prominent pollutants are nitrogen oxides, which are produced in the combustion chamber due mainly to high temperatures and the presence of nitrogen and excess oxygen in the intake air. These make up a toxic, irritating gas and precursor to the formation of both photochemical smog through mainly the synthesis of ozone and nitrates and nitric acid, the latter being a participant in the formation of acid rain. For its reduction there are mainly two types of catalysts. In gasoline engines, the so-called three-way catalyst can be used both for the oxidation of carbon monoxide and hydrocarbons without burning and for the reduction of nitrogen oxides. In the case of Diesel engines, this method is not feasible because, as there is excess air, the molecules that need to be oxidized have a greater affinity for doing so with free oxygen. In Diesel engines it is necessary to use an additional catalyst called selective reduction catalyst. By adding ammonia to the gas mixture, the products are molecular nitrogen and water. But it is not that simple, ammonia is also a pollutant and by adding it to the gas mixture there is a risk that it will be emitted into the atmosphere. During phases of high engine load in which the temperature of the exhaust gases increases, the ammonia accumulated in the catalyst is released from it and is dragged downstream. Therefore, at the end of these aftertreatment systems is the ammonia catalyst, which is composed of a layer that transforms ammonia into nitrogen oxides and another layer that is based in selective reduction catalysis mechanism. Modeling is a technology that in the case of aftertreatment systems is used to predict the composition of the gases once they pass through the catalyst. This is useful both for their design and for control during circulation, allowing us to dispense with specific sensors and obtain a response even faster than real time. In dual-layer washcoat monolithic reactors such as ammonia s catalysts, the aim is to characterize the reaction rates that modify the composition of the phases and the diffusive mass transport processes between them. This paper studies the feasibility of implementing simplifying hypotheses in the formulation of transport equations, both in reactive and diffusive terms, to obtain programs with lower computational cost without losing reliability in the results.

[CA] Avui en dia, la conscienciació sobre els efectes de la contaminació antropogènica en el medi ambient i les legislacions dels diferents governs, especialment els europeus, han suscitat la necessitat de buscar alternatives de subministrament energètic que substitueixin els mètodes tradicionals. L'electrificació i el desenvolupament de tecnologies basades en hidrogen tenen les seves bondats intrínseques com la reducció de les emissions de diòxid de carboni en zones urbanes. No obstant això, per si soles no són una solució a la problemàtica global mentre els mitjans per produir l'energia elèctrica i l'hidrogen no siguin sostenibles i eficients, tenint en compte, a més, que els residus generats siguin mínims. Els motors de combustió interna alternatius actuals han estat el fruit d'un continu desenvolupament al llarg de la història que els ha situat com la norma en el transport tant marítim com terrestre. Això ha estat en part gràcies a la millora del rendiment al llarg dels anys, però sobretot a la densitat energètica que ofereixen, dotant-los d'una autonomia incomparable. El desenvolupament dels sistemes de posttractament, juntament amb el de combustibles alternatius, es postulen com algunes de les solucions del futur, permetent aprofitar els avantatges d'aquests i alhora fent-los més nets. Entre els contaminants més destacats hi ha els òxids de nitrogen, els quals són produïts a la cambra de combustió degut principalment a les altes temperatures i a la presència de nitrogen i excés d'oxigen en l'aire d'admissió. Aquests, componen un gas tòxic, irritant i precursor de la formació tant de smog fotoquímic a través principalment de la síntesi d'ozó com de nitrats i àcid nítric, sent aquest últim partícip de la formació de pluja àcida. Per a la seva reducció hi ha principalment dos tipus de catalitzadors. En motors gasolina es pot utilitzar l'anomenat catalitzador de tres vies tant per a l'oxidació de monòxid de carboni i hidrocarburs sense cremar com per a la reducció d'òxids de nitrogen. En el cas de motors dièsel aquest mètode és inviable ja que, existint excés d'aire, les molècules que necessiten oxidar-se tenen més afinitat per fer-ho amb l'oxigen lliure. En motors dièsel és necessari utilitzar un catalitzador addicional anomenat catalitzador de reducció selectiva. Mitjançant l'addició d'amoníac en la mescla de gasos, s'aconsegueix que els productes siguin nitrogen molecular i aigua. Però no és tan simple, l'amoníac també és un contaminant i en afegir-lo a la mescla de gasos existeix el risc que aquest sigui emès a l'atmosfera. Durant fases d'alt grau de càrrega del motor en les que la temperatura dels gasos d'escapament augmenta, l'amoníac acumulat en el catalitzador es desprèn d'aquest i és arrossegat aigües avall. És per això que a la cua d'aquests sistemes de posttractament es troba el catalitzador d'amoníac, el qual està compost d'una capa que transforma l'amoníac en òxids de nitrogen i una altra de catàlisi de reducció selectiva. El modelatge és una tecnologia que en el cas de sistemes de posttractament s'utilitza per predir la composició dels gasos una vegada passen pel catalitzador. Això és útil tant per al disseny dels mateixos, com per al control durant la circulació permetent prescindir de sensors específics i obtenint una resposta més ràpida fins i tot que el temps real. En reactors amb recobriment catalític bicapa, com el catalitzador d'oxidació d'amoníac, es pretén caracteritzar les taxes de reacció que modifiquen la composició de les fases i els processos de transport de massa difusius entre les mateixes. En aquest treball s'estudia la viabilitat d'implementar hipòtesis simplificatives en el plantejament de les equacions de transport, tant en els termes reactius com difusius, per obtenir programes de menor cost computacional sense perdre fiabilitat en els resultats