Rudolf Heinisch

Reduction of Nitrogen Oxide with Methane: Activity and Methane Conversion on In-HZSM-5 and PdIn-HZSM-5 Honeycomb Catalysts

In-HZSM-5 and PdIn-HZSM-5 honeycomb catalysts have been prepared by the ion exchange method within the scope of the examination of NO x reduction with methane. Comparing the two different catalysts, it was shown that there is a better conversion of methane on the PdIn-HZSM-5 catalyst than on the In-HZSM-5 catalyst; however, the reduction rate of NO is much lower. Another investigation revealed that the deactivation of the PdIN-HZSM-5 catalyst by water vapor is irreversible. For the improvement of the methane conversion, a series connection of an In-HZSM5 honeycomb and a three-way catalyst was used. According to the dependence on the oxygen concentration, the reduction of nitrogen oxide is susceptible to the rate of NO and NO 2 in the gas stream. The study of the honeycomb surface by means of an electron microscope showed that the indium content of the honeycomb is concentrated on the surface.

Modeling of a fixed bed reactor and kinetic investigations for the catalytic reduction of nitrogen oxides with methane

For the catalytic reduction of nitrogen oxides with methane in oxygen rich exhaust gases zeolite catalysts are used. During a catalyst screening the beta-zeolite (BEA) which was modified with Indium has been chosen for kinetic measurements in a fixed bed reactor. Therefore zeolite pellets were prepared. The influence of the residence time, temperature and gas composition at the inlet of the reactor were investigated by experiments and simulations. An isothermic process model was developed which is based on a balance scheme.

Der 1. Hauptsatz der Thermodynamik—ein Sonderfall der Energiebilanz

ZusammenfassungThermodynamisch ist der “1. Hauptsatz” für geschlossene Systeme als innere Energiebilanz zu verstehen, wobei die Änderung der inneren Energie durch Arbeitstransport und Wärmetransport über die Systemgrenze erfolgt. Die Arbeit wird über ∫ F(x) dx definiert. Sie beschreibt einen Vorgang und wird in ihren diversen begrifflichen und definitorischen Varianten nicht immer ausreichend genug erklärt. Die Wärme wird meist über den “1. Hauptsatz” definiert. Die Enthalpie wird in zweierlei Hinsicht verwendet: a) Bei einem geschlossenen System für den Vorgang Volumenänderung als Zustandsgröße nach Gl. (19), die den “Enthalpieinhalt” des Systems beschreibt. Dabei hat das bilanzierte Gas bei einer Volumenänderung aber nur die innere Energie als “Energieinhalt”. Die Verschiebe-bzw. Volumenänderungsarbeit p ΔVs bei p=konst. ist dagegen in der Umgebung vorhanden. Eine Folge dieser Betrachtung ist auch, daß sich die Enthalpie eines volumenkonstanten abgeschlossenen Systems infolge einer chemischen Reaktion ändern kann, obwohl die innere Energie Us konstant bleibt. b) Bei offenen Systemen, für den Vorgang des inneren Energietransportes durch den Stofftransport über die Systemgrenze als Vorgangsgröße nach Gl. (18). Uϕ ist die mit der Materie des Volumens Vϕ über die Systemgrenze transportierte innere Energie und Wpv,ϕ die mit dem Ein-/Ausschieben des Materievolumens Vϕ verbundene Verschiebearbeit. Energietechnisch ist es notwendig, den “1. Hauptsatz” um zusätzliche Energien zu erweitern und ihn besser als Energiestrombilanz zu formulieren, da erst dann die realen Vorgänge auch mit ihren Irreversibilitäten erfaßt werden können. Der von Baehr [1] eingeschlagene Weg, den “1. Hauptsatz” als Energiebilanz für die innere Energie Us, die kinetische und potentielle Energie, und Arbeit, Enthalpie und Wärme als Transportgrößen aufzufassen, entspricht auch dem hier beschriebenen Weg. Es ist sinnvoll, mit einer allgemeinen Energiestrombilanz zu arbeiten, die die Vorgänge der Energiespeicherung, des Energietransportes und, wenn nicht alle Energien bilanziert werden, auch die der Energiewandlung erfaßt. Dadurch gewinnt man einen allgemeineren Standpunkt, um die in der Literatur verwendeten verschiedenen “1. Hauptsätze” kritisch vergleichend zu erklären.

Arbeit in der technischen Thermodynamik

ZusammenfassungDie Arbeit ist im technischen Sinne über die bewegte Systemgrenze transportierte mechanische Energie. Sie ist also nur für den Vorgang des Energietransportes über die Systemgrenze definiert und nicht für Vorgänge im Volumen. Die Verknüpfung von Zusatzbgriffen, die sich auf Vorgänge im System (Volumen) beziehen, mit dem Begriff Arbeit zu versehen, sollte vermieden werden. Insofern sollten Begriffsverknüpfungen wie “Reibungs-” bzw. “Dissipationsarbeit”, “chemische Arbeit” bzw. “Reaktionsarbeit” oder ähnliche nicht verwendent werden.

Modell eines isothermen Wabenrohrreaktors

A technical reaction model for a steadystate, isothermal and isobaric honeycombreactor is represented, which is as simple as possible, containing all fundamental processes within the two phases, i.e. fluid flow, masstransfer, pore diffusion and the reaction.The required isothermic leads to the conclusion that the fluid has to contain only a low concentration level (<0.1%) of the reactants.The model is designed to guarantee a better comprehension of the existing mechanisms, namely of the degree of conversion α (T, w, L, d, l) and the effectiveness factor η (T, l). The model is also compared with measurements in respect of their interpretations.ZusammenfassungEs wird ein möglichst einfaches reaktionstechnisches Modell für den stationären, isothermen und isobaren Wabenrohrreaktor vorgestellt, das alle wesentlichen Vorgänge in den zwei Phasen, nämlich Strömung, Stoffübergang, (Poren-)Diffusion und Reaktion enthält. Die vorausgesetzte Isothermie enthält die Forderung, daß nur geringe Konzentrationen (≤0.1%) der Reaktionspartner auftreten.Das Modell dient der Verbesserung des Verständnisses für die vorliegenden Zusammenhänge bzw. Abhängigkeiten, wie z. B. die des Umsatzgrades α (T, w, L, d, l) und des Nutzungsgrades η (T, l). Auch bisherige Darstellungen gemessener Zusammenhänge werden einer verbesserten Deutung unterzogen.

The influence of water vapor and sulfur dioxide on the catalytic decomposition of nitrous oxide

In a catalysts screening for the nitrous oxide decomposition, three groups of catalysts (metals on supports, hydrotalcites, and perovskites) were studied relating to their activity in the presence of vapor or sulfur dioxide, in the temperature range from 200 to 500 °C. It was found that the water vapor strongly inhibates the nitrous oxide decomposition at T = 200-400 °C. The sulfur dioxide poisons the catalysts, in particular the perovskites. The catalysts Rh-ZrO 2 and Ex-Co, Rh-Al-HTlc are potentially suitable for the nitrous oxide decomposition in exhaust gas at around T = 500 °C.

Modell eines adiabaten Wabenrohrreaktors

ZusammenfassungIn der vorliegenden Arbeit wird ein Modell eines adiabaten Wabenrohrreaktors mit poröser Katalysatorschicht für eine irreversible, bimolekulare chemische Reaktion 2. Ordnung mit einem Ansatz für die heterogene Reaktionsgeschwindigkeit der Form q′=k′(T) cA cB vorgestellt. Eine Erweiterung des Modells unter Berücksichtigung temperaturabhängiger Stoffwerte, örtliche Sherwood-Nußelt-und Biot-Zahlen und die Beachtung der Nichtäquimolarität einer Reaktion haben nur geringe Auswirkungen auf den Temperatur- und Konzentrationsverlauf im adiabaten Wabenrohrreaktor. Es zeigt sich demnach, daß es wichtiger ist, die grundsätzlichen physikalischen Grundvorgänge im Modell zu berücksichtigen.