Modelo del transporte y reacción de gases de combustión en convertidores catalíticos de tres vías de Paladio y Rodio

Abstract

Los catalizadores de tres vías (TWC) se ubican en el escape de los vehículos para capturar especies nocivas (CO, NOx e hidrocarburos inquemados), y transformarlas en productos menos perjudiciales. El dispositivo cuenta con una serie de canales, generalmente de sección transversal cuadrada o hexagonal, cuyas paredes están recubiertas por un material poroso que tiene en su interior catalizadores de paladio y rodio. El gas que entra en el canal, se difunde en las porosidades del recubrimiento catalítico y reacciona con los pequeños cúmulos de los catalizadores. En la actualidad se ha reportado que el espesor del recubrimiento en las esquinas de los canales puede llegar a ser entre 10 a 15 veces mayor que en la pared lateral y existen dispositivos comerciales con espesores entre 60 μm (en los lados) y 360 μm (en las esquinas), con lo cual se evidencia la necesidad de generar un modelo que permita evaluar el desempeño del convertidor con diferentes espesores de recubrimiento. En este trabajo se presenta un modelo matemático bidimensional para el transporte y reacción de gases de combustión en canales de TWC, considerando los efectos difusivos en el recubrimiento catalítico, con el fin de obtener un nuevo conjunto de parámetros cinéticos independientes del espesor del recubrimiento catalítico y así cuantificar el efecto de la difusión efectiva en el recubrimiento. Para el desarrollo del modelo se consideraron 11 especies fluyendo por el canal y dentro del recubrimiento catalítico. Se realizaron los balances de masa para cada especie en las dos zonas y se calculó la generación (o consumo) de cada una mediante un mecanismo de 16 reacciones dentro de los recubrimientos de TWC comerciales de Pd/Rh. Se encontró que un conjunto de parámetros cinéticos desarrollados en un modelo agrupado, no reproducen los resultados experimentales, cuando se usan en un modelo distribuido del canal y el recubrimiento. Se obtuvo un nuevo conjunto de parámetros cinéticos que reproduce la conversión de las especies en un canal de un convertidor TWC con una desviación de solo 2.18%. El modelo obtenido muestra que el aumento en el espesor del recubrimiento incrementa la resistencia al flujo de las especies a lo largo del canal y demuestra que la resistencia a la difusión y los gradientes de concentración deben ser tenidos en cuenta a la hora de evaluar el desempeño del convertidor.

Abstract: The three-way catalysts (TWC) are located in the vehicle exhaust to capture harmful species (CO, NOx and unburned hydrocarbons), and transform them into less harmful products. The device has a number of channels, usually of square or hexagonal cross section, whose walls are coated with a porous material having therein palladium and rhodium catalysts. The gas entering the channel, diffuses into the porosities of the catalytic coating and reacts with the small clusters of catalysts. At present it has been reported that the coating thickness at the corners of the channels can be between 10 to 15 times greater than in the side walls and there are commercial devices with thicknesses between 60 μm (on the sides) and 360 μm (in the corners), thus appears the need to generate a model to evaluate the performance of the catalytic converter with different coating thicknesses. In this work, a two-dimensional mathematical model for the transport and reaction of combustion gases in the channels of TWC is presented, considering the diffusive effects on the catalytic coating, in order to obtain a new set of thickness-independent kinetic parameters and to quantify the effect of the effective diffusion. For the development of the model, 11 species flowing through the canal and into the catalytic coating were considered. Mass balances for each species were made in both areas and the generation (or consumption) of each species was calculated by a mechanism of 16 reactions within the coatings of commercial TWC with Pd and Rh. The study shows that the kinetic parameters calculated with a clustered model does not reproduce the experimental data if the parameters are used in a distributed model. Also, it was found a new set of thickness-independent kinetic parameters and it was validated with the conversion standard deviation of the objective function equivalent to 2,18%. Finally, it demonstrated by an efficiency factor differences between coating 30 μm and 130 μm one, and was determined that the diffusion resistance is relevant.