Katalytische Schwämme zur Gasumsetzung in Gas-Partikel-Filtern
Final Report Abstract
Im Rahmen des DFG-Projektes wurde das Potential von Schwämmen in der Verfahrenstechnik als Katalysatorträger in einer multifunktionalen Gas-Partikel Filtration untersucht. Dazu wurden Versuche durchgeführt und die Ergebnisse mit mathematischen Modellen ausgewertet, die die ablaufenden Vorgänge beschreiben und Fallstudien erlauben. In experimentellen Untersuchungen konnte bei der Umsetzung der ausgesuchten Modellkomponenten (NO, NH3, C3H6) an V2O5-WO3-TiO2-Katalysator kein Unterschied zwischen Partikeln und Schwämmen als Trägerstruktur gefunden werden. Im Vergleich mit axial durchströmten Schwämmen wurden in radialer Anordnung kleinere Umsätze gemessen. Als Ursache wird wegen der aus dem freien Gasraum kurzen durchströmten Länge und der geringen Strömungsgeschwindigkeit die axiale Rückvermischüng vermutet. Mit der Konzeption und dem Bau einer Anlage zur Messung der Verweilzeitverteilung wurde die axiale Dispersion von Schwämmen im Vergleich zu Glaskugelschüttungen untersucht. Dabei zeigten die Schwämme ein stärkeres Rückvermischungsverhalten als Kugelschüttungen. Die experimentellen Daten wurden zur Aufstellung einer Korrelation zur Berechnung des Dispersionskoeffizienten verwendet. Ergebnisse aus Versuchen mit Toluol an Pt/TiO2 einzeln und in Kombination konnten ablaufende Reaktionen von NO und Ammoniak identifiziert und die Kinetik der VOC Oxidation studiert werden. Mit Hilfe mathematischer Methoden wurden kinetische Parameter ermittelt, mit denen verschiedene Vorgänge abgebildet werden konnten. Die Einbeziehung der axialen Dispersion durch geeignete Modelle zeigte eine gute Übereinstimmung mit den Experimenten. Dadurch ist eine Modellierung unterschiedlicher Reaktoranordnungen möglich, die auch auf andere Reaktionssysteme übertragen werden und dabei wichtige Erkenntnisse liefern kann. Berechnungen im Bereich der kombinierten katalytischen Gasreinigung, bei der die SCR und die VOC-Oxidation in einem einzelnen Filterreaktor ablaufen, konnten Trends und dadurch mögliche Betriebsbereiche identifiziert werden. Folgende Aspekte sind im Zusammenhang mit den durchgeführten Untersuchungen wichtig: • Die Versuche wurden mit für die Rauchgasreinigung typischen geringen Gasgeschwindigkeiten, Volumenanteilen und Wärmetönungen durchgeführt. Dies erlaubt kaum Rückschlüsse auf Druckverluste bei höheren Geschwindigkeiten oder stärkerer Wärmeentwicklung bei großen Konzentrationen. Letztere Verhältnisse waren Gegenstand eines anderen Teilprojekts in der Forschergruppe Patcas. • Die Schwammproben verschiedener Hersteller unterscheiden sich in wichtigen strukturellen Abmaßen wie Stegdicke, Porosität und Porengröße. Eine einheitliche Beschreibung ist nicht vorhanden, was aufwendige Charakterisierungen für einzelne Untersuchungen an verschiedenen Schwammproben nötig macht.
Publications
- Katalytische Schwämme zur Gasumsetzung in Gas-Partikel-Filtern. Workshop „Feste Schwämme" 02.07.07, Karlsruhe
S. Zürcher. G. Schaub
- Schwämme als strukturierte Packung für die katalytische Gasumsetzung in Gas-Partikel-Filtern. Chem. Ing. Tech. 2007, 79 (9), 1293
S. Zürcher, G. Schaub
- Untersuchungen zur katalytischen NOx-Reduktion an keramischen Schwämmen in Gas-Partikel-Filtern. ProcessNet Fachausschuss Gasreinigung; 25.06.2007, Karlsruhe
S. Zürcher. G. Schaub
- Untersuchungen zur katalytischen NOx-Reduktion an keramischen Schwämmen in Gas-Partikel-Filtern. ProcessNet Jahrestagung 2007, Aachen 16.10-18.10.2007
S. Zürcher: G. Schaub
- Ceramic Foams as structured catalyst inserts in gas-particle filters for simultaneous NOx removal via selective catalytic reduction. The 20th International Symposium on Chemical Reaction Engineenng; 07.09- 10.09.2008
S. Zürcher. G. Schaub
- Kinetics of Selective Catalytic NOx Reduction in a Novel Gas-Particle Filter Reactor (Catalytic Filter Element and Sponge Insert). Ind. Eng. Chem. Res. 2008, 47(5), 1435- 1442
S. Zürcher, M. Hackel, G. Schaub
- Untersuchungen zur Kinetik und Rückvermischung in keramischen Schwämmen für die katalytische Gasumsetzung. ProcessNet Jahrestreffen Reaktionstechnik 2008, Würzburg 18.05-20.05.2008
S. Zürcher, G. Schaub
