PODSUMOWANIE I WNIOSKI

RóŜnorodne emisje lotnych związków organicznych (LZO) są istotnym zagroŜeniem dla środowiska oraz zdrowia i Ŝycia ludzkiego. Jedną z bardziej obiecujących metod ich unieszkodliwiania jest dopalanie katalityczne. Celem pracy było opracowanie struktur o lepszych właściwościach transportowych niŜ monolity ceramiczne i o moŜliwie małych oporach przepływu. Jak wywnioskowano z literatury zagadnienia, właściwą metodą intensyfikacji transportu ciepła i masy jest skrócenie długości kanału struktury wypełnienia. Koncepcję zrealizowano jako struktury krótkokanałowe oraz siatki druciane tkane i dziane.

Przeprowadzono badania doświadczalne oporów przepływu dla siatek i struktur krótkokanałowych. Opracowano nowy model zakładając rozwijający się w krótkim kanale przepływ laminarny jako wiodący mechanizm przepływu przez siatki. Opory przepływu dla siatek są znacznie większe, niŜ dla klasycznych struktur monolitycznych. Dla struktur krótkokanałowych uzyskano opory przepływu nieznacznie większe w porównaniu z klasycznym monolitem.

Przeprowadzono badania wnikania ciepła dla siatek i struktur krótkokanałowych. W celu opisania wnikania masy opracowano analogię dla przepływu laminarnego. Opracowany model transportu masy dla siatek oparto na koncepcji rozwijającego się przepływu laminarnego. Uzyskano współczynniki

transportu znacząco większe w porównaniu ze strukturami monolitycznymi i porównywalne ze złoŜami ziaren.

Na wybrane wypełnienie siatkowe naniesiono tlenkowy katalizator kobaltowy CoOx metodą polimeryzacji plazmowej. Opracowano kinetykę reakcji dopalania n-heksanu. Po analizie przyjęto model przepływu tłokowego przez reaktor rurowy.

Model reaktora, kinetykę reakcji i opis transportu masy zweryfikowano w oparciu o serię eksperymentów w reaktorze w większej skali laboratoryjnej.

Większym (niŜ w strukturach monolitycznych) współczynnikom transportu masy występującym w przypadku siatek i struktur krótkokanałowych towarzyszą większe opory przepływu. W celu racjonalnej oceny efektywności struktur:

- opracowano kryteria efektywnościowe pierwszego rodzaju ujmujące stosunek intensywności transportu masy do oporów przepływu;

- porównano, dla wybranego procesu i załoŜonej konwersji końcowej, niezbędną długość reaktora wypełnionego badaną strukturą, oraz opory przepływu przez ten reaktor, z wybranymi do porównań klasycznymi reaktorami monolitycznymi realizującymi ten sam proces z identyczną konwersją końcową;

- opracowano kryterium oparte na poszukiwaniu minimum entropii produkowanej w wyniku konwekcyjnego transportu masy i pracy przeciwko oporom przepływu.

Wyniki uzyskane z wykorzystaniem wymienionych powyŜej metod oceny efektywności struktur były zbliŜone. Struktury monolityczne wykazują dobrą efektywność, lecz w pewnych obszarach temperatur i natęŜeń przepływu lepsza jest efektywność struktur krótkokanałowych i siatek o duŜym udziale wolnej objętości.

Na podstawie uzyskanych wyników wysunąć moŜna następujące wnioski.

1. Opracowany model przepływu przez siatki pozwala z dobrą dokładnością obliczyć opory przepływu przez wszystkie badane siatki bez potrzeby estymowania parametrów równania korelacyjnego na podstawie wyników doświadczalnych.

Mechanizmem opisującym przepływ przez siatki jest rozwijający się przepływ laminarny w krótkich kapilarach.

2. Przeliczenie współczynników wnikania ciepła na współczynniki wnikania masy przy pomocy analogii dla przepływu laminarnego (wynikającej z równań Fourriera-Kirchhoffa dla ruchu ciepła i masy w przepływie laminarnym) daje wyniki zbliŜone do analogii Chiltona-Colburna.

3. Zjawiska transportowe dla siatek i struktur krótkokanałowych moŜna opisać z dobrą dokładnością modelem dla rozwijającego się przepływu laminarnego.

4. Współczynniki transportu masy i ciepła dla siatek są znacząco większe, niŜ współczynniki dla klasycznych monolitów o długich kanałach, i porównywalne ze współczynnikami transportu ciepła i masy dla złóŜ ziaren usypanych. Opory przepływu dla siatek są takŜe znacznie większe, niŜ dla klasycznych monolitów, lecz mniejsze w stosunku do złóŜ ziaren.

5. Współczynniki transportu dla opracowanych struktur krótkokanałowych (trójkątnej i sinusoidalnej) są istotnie większe, niŜ dla struktur monolitycznych, lecz mniejsze niŜ dla złóŜ ziaren. Opory przepływu dla struktur krótkokanałowych są nieznacznie większe, niŜ dla klasycznych monolitów.

6. Preparatyka katalizatora zawierającego tlenek kobaltu w postaci cienkiego filmu na powierzchni metalu jest moŜliwa przy zastosowaniu metody Langmuira-Blodgett i polimeryzacji plazmowej. Uzyskanie jednak odpowiedniej aktywności takiego katalizatora jest bardzo trudne. Katalizator plazmowy zawierający tlenek kobaltu jest aktualnie najlepszy spośród otrzymanych w tej pracy, lecz jest on wciąŜ mniej aktywny od stosowanych w reaktorach monolitycznych katalizatorów, których substancją aktywną jest platyna.

7. Stosowanie modelu reaktora z przepływem tłokowym jest dopuszczalne wobec niewielkiego wpływu dyspersji na końcową konwersję w zakresie przepływu laminarnego.

8. Na podstawie przeprowadzonych eksperymentów w reaktorze w skali wielkolaboratoryjnej dokonano weryfikacji modelu reaktora oraz wyprowadzonych korelacji opisujących transport masy i kinetykę reakcji utleniania katalitycznego. Weryfikacja ta dowiodła dobrej dokładności

opracowanej metodyki obliczeń. Maksymalne róŜnice pomiędzy wynikami eksperymentu a przewidywaniami modelu nie przekraczały 15%.

9. Katalityczne wypełnienia siatkowe umoŜliwiają nawet wielokrotne zmniejszenie rozmiarów reaktora, ale pod warunkiem zapewnienia odpowiednio duŜej szybkości reakcji chemicznej (aktywny katalizator, wysoka temperatura). Ceną jest większy opór przepływu przez reaktor z wypełnieniem siatkowym. Trójkątne struktury krótkokanałowe umoŜliwiają znaczne skrócenie reaktora przy jednoczesnym istotnym spadku oporów przepływu i są bardzo obiecującym rozwiązaniem konstrukcyjnym.

10. Ocena wypełnień siatkowych i krótkokanałowych przy pomocy opracowanych kryteriów pierwszego i drugiego rodzaju prowadzi do podobnych wniosków.

Kryterium entropowe (drugiego rodzaju) ma uzasadnienie teoretyczne.

Uwzględnienie w obliczeniach produkowanej entropii tylko przenoszenia masy reagenta kluczowego A nie wpływa istotnie na interpretację wyników i wybór najlepszego rozwiązania w porównaniu z uwzględnieniem transportu masy wszystkich reagentów, natomiast znacząco upraszcza obliczenia.

11. NajwyŜej ocenionymi – na podstawie obu kryteriów – rozwiązaniami były struktury krótkokanałowe (trójkątna i sinusoidalna) –w szczególności dla większych liczb Reynoldsa - oraz siatki nr 3 (tkana) i 4 (dziana) o duŜej objętości swobodnej (90% i więcej). Siatki tkane (komercyjne ) nr 1 i 2 o mniejszej objętości swobodnej (rzędu 70%) wykazują mniejszą efektywność. ZłoŜa ziaren usypanych są bardzo nisko oceniane przez wszystkie kryteria, natomiast stosunkowo dobrą efektywnością charakteryzuje się klasyczny monolit. Obszary największej efektywności dla poszczególnych struktur przedstawiono w postaci mapy (rys. 80).

12. O duŜej efektywności siatek zdaje się decydować niewielka wartość stosunku dw/Dh (średnicy drutu do średnicy hydraulicznej, czyli długości kanału do jego

zastępczej średnicy). W tej sytuacji z punktu widzenia oporów przepływu i transportu masy naleŜy stosować siatki wykonane z cienkiego drutu o duŜej

wolnej objętości i niezbyt duŜej powierzchni właściwej. Dobrym przykładem zapewne byłyby dziane siatki przestrzenne typu Multinit. Jednak mała powierzchnia właściwa obniŜa moŜliwą do naniesienia ilość katalizatora, prowadząc z kolei do ograniczeń kinetycznych. Problem kaŜdorazowo wymaga optymalizacji z punktu widzenia kinetyki, łącznie z transportem masy i oporami przepływu.