Approccio fluidodinamico allo studio dell'accumulo di NOx su catalizzatore lean NOx trap Pt-Ba/Al2O3

The present Master Thesis deals with automotive exhaust gas after treatments, with special attention to diesel NOx emissions. The work is focused on the study of the Lean-NOx-Trap Pt-Ba/Al2O3 catalyst, analyzing the experimental data provided by the Laboratoire Catalyse et Spectrochimie ENSI-CAEN (Caen, France). They are based on a IR-Operando approach, focused on the deep understanding of the intrinsic kinetic of the LNT catalyst. From this apparatus it is possible to obtain dynamic experimental data of both the gas phase (reactants and products) and the solid intermediate species, adsorbed on the catalytic pellet. In this way a kinetic scheme, involving coverage of the adsorbed species, has been proposed by the Energy Department of Politecnico di Milano. The detailed modeling approach developed in a previous work with the Chemical Engineering Department of the same institution, based on the reactor network analysis, showed the impossibility to neglect hydrodynamic aspects, related to the fluid flow inside the spectroscopic cell. During the present work CFD simulations were performed with the commercial code ANSYS Fluent, and they underlined some problems related to the geometry of the reactive cell. This pointed out the possibility to improve the design of the current spectroscopic cell, in order to obtain more usefull experimental data. Moreover a C++ code was developped, based on a Finite Volume Method (FVM), which solves transport equations for chemical species, containing the kinetic expression obtained from the previous work. This code acquires data (velocity field and pressure) from Fluent CFD simulations, in order to account hydrodynamic aspects, and provide the dynamic of the concentration of each chemical species in each volume centroid of the CFD mesh. In the first chapter some basic information about NOx regulations and health effects is discussed. Then, in the second chapter, the experimental apparatus and the LNT kinetic are descripted. In the third chapter the dynamic Fluent-based model is reported, while in the fourth chapter the results obtained are commented. The fifth chapter deals with non reactive CFD simulations and the design of a modified sample-holder. In conclusion, in the sixth chapter, there will be some possible future developings of the present work.

Nella presente Tesi di Laurea Magistrale si è affrontata la tematica dell'abbattimento delle emissioni inquinanti di ossidi di azoto da motori diesel. Si e focalizzata l'attenzione sullo studio del sistema catalitico Lean-NOx-Trap (LNT) a base di Pt-Ba/Al2O3, analizzando i dati sperimentali forniti dal gruppo di ricerca operante presso il Laboratorio di Catalisi e Spettrochimica ENSI-CAEN (Francia). Grazie al particolare apparato sperimentale è stato possibile ottenere misurazioni spettroscopiche IR-Operando relative alla dinamica di ricoprimento delle specie adsorbite sulla superficie catalitica, in aggiunta alle misurazioni di composizione della fase gas, effluente dalla cella spettroscopica. In un precedente lavoro di tesi è stata effettuata una simulazione dinamica della cella con una rete di reattori ideali. Sulla base del suddetto modello dinamico, è stata effettuata una regressione non lineare sui dati sperimentali, al fine di stimare i parametri cinetici dello schema proposto. I risultati della regressione hanno tuttavia evidenziato alcune discordanze fra modello e dato sperimentale. Si e quindi ipotizzato che l'influenza della fluidodinamica della cella sulla risposta dinamica del sistema possa essere la causa di tale discrepanza. Durante la presente attività di tesi, è stato perciò condotto uno studio CFD, avvalendosi del codice commerciale ANSYS Fluent, per analizzare il campo di moto all'interno della cella spettroscopica, in presenza del solo gas inerte. Queste simulazioni hanno messo in luce la presenza di irregolarità delle linee di flusso, dovute ad alcune caratteristiche geometriche del sistema. Si è quindi proposto il design di un porta-campione modificato, grazie al quale si reputa possibile l'acquisizione di dati sperimentali più facilmente fruibili. Parallelamente a questa attività, si è sviluppato un modello di simulazione della cella che tiene in considerazione gli effetti fluidodinamici. L'ipotesi che sta alla base di questa scelta è che il modello precedentemente proposto sia in grado di fornire per regressione una discreta stima dei parametri cinetici, ma non sia in grado di adeguarsi completamente al dato sperimentale in fase di simulazione. Si è quindi compilato un codice che acquisisce il campo di moto simulato con Fluent e lo introduce nelle equazioni di trasporto delle specie chimiche, contenenti le espressioni cinetiche. Tale codice, basato sulla tecnica ai volumi finiti (FVM) permette di ottenere la dinamica della concentrazione delle specie in fase gas e del grado di ricoprimento delle specie adsorbite in prossimità dei centroidi dei volumi della griglia di calcolo. La tesi risulta così strutturata. Nel primo capitolo sono riportate alcune nozioni introduttive relative alla regolamentazione delle emissioni e agli effetti nocivi degli NOx. Successivamente, nel secondo capitolo, si prenderà in considerazione l'apparato strumentale e la cinetica catalitica LNT. Nel terzo capitolo si descrive il modello dinamico, interfacciato a Fluent, mentre nel quarto capitolo si riportano i risultati ottenuti. In seguito, nel quinto capitolo, si affrontano le tematiche relative alle simulazioni CFD non reattive, e al design del porta-campione modificato. Infine, dal momento che questa attività di tesi offre una nuova metodologia spettrocinetica nell'affrontare le tematiche di caratterizzazione di sistemi reattivi, nel sesto capitolo, si proporranno dei possibili sviluppi futuri del presente lavoro di tesi.