Julian Nicolaas Bär - Institut für Technische Chemie und ...

Kapitel 2 – Theoretische Grundlagen
2.3 Modellierung
2.3.1 Modellierung der katalytischen Zündung
Die katalytische Zündung wird häufig in der Staupunktströmungsanordnung untersucht. Zur
Simulation der katalytischen Zündung in der Staupunktströmung wird der heterogene
Reaktionsmechanismus verwendet [33, 36, 46] , da Gasphasenreaktionen während der Zündung
meist vernachlässigt werden können. Die Staupunktströmung bietet den Vorteil, dass das
Problem eindimensional behandelt werden kann. Dies vereinfacht die Berechnung der
Strömung erheblich (siehe Kapitel 2.2.3).
Trevino [46] fand für die Oxidation von Methan an Pt unter Verwendung der Reaktionskinetik
von Schwiedernoch et al. [15] heraus, dass die Zündtemperatur stark von den Adsorptionsraten
der Reaktanden abhängt.
Des Weiteren wurde von Deutschmann et al. [15, 47] die Partialoxidation von Methan mit Rh
beschichteten Monolithen mit Hilfe von heterogenen und homogenen Reaktionsmechanismen
simuliert. Es wurde hier beobachtet, dass die Oberfläche vor der Zündung größtenteils mit
Sauerstoffmolekülen bedeckt war. Die Desorption von Sauerstoff, die durch hohe
Temperaturen begünstigt wird, ist daher der reaktionsbestimmende Schritt der katalytischen
Verbrennung. Somit werden aktive Zentren für die Adsorption von Methan nur bei höheren
Temperaturen frei und die Zündung der Reaktion findet erst bei hohen Temperaturen statt.
2.3.2 Staupunktströmung
Bei einer Staupunktströmung wird eine Strömung betrachtet, die senkrecht auf eine flache
Oberfläche trifft (Vgl. Abb. 1.3, Abb. 2.1). Der Staupunkt ist in diesem Fall als der Punkt
definiert, an dem die Strömungsgeschwindigkeit an der flachen Oberfläche Null beträgt [46] .
Zur Modellierung dieser Strömung wird angenommen, dass die Geschwindigkeitsverteilung
gleichmäßig in axialer Richtung von x = 0 bis x = L verläuft, wobei die radiale
Strömungsgeschwindigkeit gleich Null gesetzt wird. Zudem wird eine ideal glatte Oberfläche
ohne Ecken und Kanten angenommen. Dies erlaubt eine nulldimensionale Verteilung von
Dichte, Impuls, Temperatur und Gaszusammensetzung an der Oberfläche. Somit können die
Navier-Stokes-Gleichungen auf ein eindimensionales Problem reduziert werden [33] . Die
Variablen, wie die Temperatur und die Gaszusammensetzung, sind in diesem Fall nur
abhängig vom Abstand zur katalytischen Oberfläche.
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