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Keywords:

  • diffusion;
  • monolith;
  • washcoat;
  • finite element;
  • catalytic combustion

Abstract

In monolith reactors with catalytic washcoat, intraphase diffusion effects have often been underestimated. This paper presents numerical simulations of diffusion/reaction in the washcoat of a catalytic monolith reactor. The problem is solved in two dimensions for the washcoat geometry obtained in a 1-mm square monolith channel, as revealed by scanning electron microscopy. For the oxidation of carbon monoxide, propane or methane diffusion limitation can be substantial at typical operating conditions. The two-dimensional solution is compared to a one-dimensional approximation. The latter approximation for the real washcoat is valid provided that the characteristic length is selected carefully. This value is different from the characteristic length of the two-dimensional washcoat. The characteristic length of a two-dimensional geometry is not sufficient in itself to describe all washcoat geometries. It is predicted that the application of a diffusion barrier of 4–6 μm of inactive washcoat may be used to lower the rate of reaction in the inlet region of the monolith reactor.

Les effets de diffusion intraphasique ont souvent été sous-estimés dans les réacteurs monolithiques avec enduit catalytique grassier. On présente dans cet article des simulations numériques de diffusion/réaction dans l'enduit d'un réacteur monolithique catalytique. Le problème est résolu en deux dimensions pour la géométrie de l'enduit obtenue dans un canal monolithique de 1 mm2, comme l'indique la microscopie électronique à balayage. Pour l'oxydation de l'oxyde de carbone, du propane ou du méthane, la limitation de diffusion peut ětre substantielle, aux conditions de fonctionnement typiques. La solution bidimensionnelle est comparée à une approximation unidimensionnelle. Cette approximation pour l'enduit réel est valide dans le mesure où la longueur caractéristique est choisie avec soin. Cette valeur est différente de la longueur caractéristique de l'enduit bidimensionnel. La longueur caractéristique d'une géométrie bidimensionnelle n'est pas suffisante en soi pour décrire toutes les géométries de l'enduit. Nos prédictions indiquent que l'application d'une barrière de diffusion de 4–6 μm d'enduit inactif peut réduire la vitesse de réaction dans la région d'entrée du réacteur monolithique.