CC BY
49
УДК 004.942; 66.011
А. В. Иванова, И. И. Митричев, А. В. Женса, Э. М. Кольцова*
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20 * e-mail: [email protected]
МОДЕЛИРОВАНИЕ ГАЗОДИНАМИКИ КАТАЛИТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ОЧИСТКИ ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ
Данная работа посвящена моделированию газодинамики процесса каталитической очистки токсичных автомобильных выбросов. Изучено, как размеры ячеек высокопористого ячеистого катализатора влияют на гидравлические потери.
Ключевые слова: катализатор; компьютерное моделирование.
высокопористый материал; гидравлическое сопротивление; Solidworks;
Катализаторы - это вещества, которые ускоряют химическую реакцию, но не входят в состав конечных продуктов. Использование катализаторов широко распространено в промышленности и химическом производстве. Также они используются для нейтрализации токсичных газовых выбросов. К достоинствам каталитической очистки относятся довольно большая степень очистки, небольшие габариты, высокая продуктивность и простота автоматического управления. Но метод может быть осложнен образованием побочных продуктов, которые требуется удалять из смеси. Также существенным недостатком является высокая стоимость катализаторов. Транспорт является одним из главных источников загрязнения атмосферного воздуха. Современные автомобили должны соблюдать установленные требования норм вредных выбросов, поэтому подавляющее большинство автомобилей используют каталитический нейтрализатор, который преобразовывает СО, СН и NOx в СО2, Н2О и N Внутрь корпуса каталитического конвертера помещается блок сотовой, либо ячеистой структуры. При проектировании автомобильного катализатора одной из главных задач является поиск компромисса между минимизацией сопротивления, создаваемого катализатором по отношению к выхлопным газам, которая возрастает с увеличением площади поверхности контакта катализатора, и продолжительностью контакта выхлопных газов с катализатором [1].
На эффективность катализатора и каталитического процесса значительно влияют характеристики используемого носителя
катализатора: пористая структура, форма и размер структурных элементов, условия тепло- и массообмена, а также гидродинамические характеристики. Высокопористые ячеистые материалы (ВПЯМ) в совокупности своих характеристик являются одним из наиболее перспективных носителей катализаторов. Они представляют собой высокопористую проницаемую ячеистую пластину с пористостью 75 - 97%. Размер ячейки составляет 0.5 - 4.0 мм. К преимуществам высокопористых ячеистых материалов относится довольно низкое гидравлическое сопротивление,
высокая газопроницаемость, высокая прочность, фильтрующая способность, жаростойкость, небольшая цена. По материалу подложки ВПЯМ делятся на керамические и металлические.
Гидравлическое сопротивление и объем катализатора необходимый для очистки, зависит от структуры ВПЯМ (рис. 1), а именно от диаметра ячейки и размера стороны элементарного куба [2].
Рис. 1. Геометрическая структура элементарной ячейки ВПЯМ
Размеры ячейки также определяют ее порозность (е) — общий объем ячеек (свободный объем).
Компьютерное моделирование процесса очистки с помощью программы SoHdworks [3] позволяет теоретически определить, как структура катализатора влияет на гидравлическое сопротивление, и позволяет дать рекомендации для более эффективного использования катализатора такой структуры.
Таблица 1. Размеры элементарной ячейки
№ R, мм а, мм £
1 1 2.5 0.9472
2 1 2.6 0.8988
3 1 2.65 0.8489
4 1 2.7 0.8026
В таблице 1 приведены размеры ячеек, которые использованы в работе. Здесь Я - радиус элементарной ячейки, а — размер стороны элементарного куба.
В автомобильный конвертер помещается блок, состоящий из 25000-30000 ячеек. Смоделировать такой блок в программе невозможно, поэтому был построен блок из 64 ячеек (рис. 2) и помещен в конвертер.
В программе Solidworks с помощью операции «Вытянутая бобышка» была построена объемная модель элементарной ячейки (рис. 2).
Рис. 2. Модель элементарной ячейки ВПЯМ
Далее с помощью операции «Линейный массив» составлена сборка, содержащая 64 ячейки и представляющая собой блок, представленный на рис. 3.
Рис. 3. Блок ячеистой структуры
После завершения графической части следует расчетная часть в приложении Solidworks Flow Simulation. Задаются граничные условия, они требуются там, где поток входит в систему или покидает ее [3]. На входе задано граничное условие «Скорость на входе», значение которого равно 12 м/c. На выходе задано граничное условие «Статическое давление». Также задаются поверхности на входе и выходе, в которых требуется определить среднее полное давление на входе и на выходе, а затем запускается расчет. При высоких значениях сетки продолжительность расчета составила около часа.
Выход потока
Вход потока
Рис. 4. Направление движения потока
На рис. 4 изображено, как направлен поток в конвертере. В качестве текучей среды выбран воздух.
После завершения расчета во вкладке «Цели» можно посмотреть рассчитанные значения перепада давления. Далее с помощью инструмента «Калькулятор» нажатием на правую кнопку мыши вставляется формула расчета полных потерь на давление. Программа требует ввести значение среднего давления в двух точках, плотность текучей среды и скорость движения потока, и после этого рассчитывает коэффициент гидравлического сопротивления.
Гидравлические потери вычисляются как разница между давлением на входе и выходе ДР, и определяются по формуле:
,
рУ2 / 2
где р - плотность воздуха при температуре 293 К, V - скорость движения воздуха.
Скорость движения потока была задана равной 12 м/с, плотность воздуха при температуре 20 °С равна 1.204 кг/м3. Результаты расчетов представлены в таблице 2.
Таблица 2. Зависимость гидравлических потерь от
Порозность ячейки (е) Гидравлические потери ©, Па
0.9472 0.3781
0.8988 0.5356
0.8489 0.7825
0.8026 0.9267
Из таблицы 2 видно, что чем больше порозность, тем меньшее сопротивление катализатор оказывает потоку. Также следует отметить, что чем меньше размер стороны элементарной ячейки, тем больше порозность. То есть, эффективнее всего использовать мелкоячеистый блок в качестве катализатора.
Иванова Анна Владимировна, студентка 4 курса бакалавриата факультета Информационных технологий и управления РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Митричев Иван Игоревич, ведущий программист кафедры Информационных компьютерных технологий РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Женса Андрей Вячеславович, к.т.н., доцент кафедры Информационных компьютерных технологий РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Кольцова Элеонора Моисеевна, д.т.н., профессор, заведующая кафедрой Информационных компьютерных технологий РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Литература
1. Постнов В.Н. Гетерогенные катализаторы. Санкт-Петербург: Издательство СПБГУ, 2014. 120 с.
2. Беспалов А.В., Дёмин В.В., Бесков В.С. Гидравлическое сопротивление катализатора различных
геометрических форм и размеров // Теоретические основы химической технологии. 1991. Т. 25. № 4. С. 533-541.
3. Алямовский А.А. SolidWorks Simulation. Как решать практические задачи. Санкт-Петербург: БХВ-
Петербург, 2012. 145 с.
Ivanova Anna Vladimirovna, Mitrichev Ivan Igorevich, Zhensa Andrey Vyacheslavovich, Koltsova Eleonora Moiseevna*
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia * e-mail: [email protected]
MODELING OF THE GAS DYNAMIC CATALYTIC PROCESS EXHAUST GASES CLEANING
Abstract
This work is devoted to modeling gas dynamics of the process of catalytic treatment of toxic automobile emissions. Studied how the cell size of a highly porous honeycomb catalyst effect on the hydraulic losses.
Key words: catalyst; high porous material; hydraulic resistance; Solidworks; computer modeling.
