توضیحات
پروژه شبیه سازی مبدل کاتالیزوری در نرم افزار انسیس ANSYS CFX
CFD Simulation of Catalytic Converter in ANSYS CFX Software
امروزه اتومبیل ها نقش بسیار مهمی در صنعت حمل و نقل دارند. با افزایش جمعیت و بالا رفتن سطح رفاه عمومی، تعداد خودروها به طور دائم افزایش می یابد. همه این وسایل به خصوص در مراکز شهرها باعث افزایش آلودگی هوا می شوند. آلودگی هوا نه تنها آثار زیانباری بر مردم داشته و سبب ابتلای آنان به بیماری های گوناگون و مرگ و میرهای متعدد شده است، آسیب هایی جدی نیز به لايه اوزون، جو، و در نتیجه سیستم گرمایش کره زمین وارد کرده است. این تغییر و تحولات جوی نیز به طور غیر مستقیم روی سلامت انسان تأثیر مخرب دارد. در کشورهای پیشرفته، آلودگی تولید شده از خودروها در حدود ۵۰ تا ۶۰ درصد کل آلودگی کشور را تشکیل می دهد.در حالیکه در تهران این رقم در حدود ۷۰ درصد تخمین زده می شود. بنابراین اساسی ترین راهکار برای کاهش آلودگی هوا، کنترل آلاینده های خروجی از اگزوز خودروها است. پس از سال ها تلاش، نتیجه ای که دانشمندان علوم شیمی و محیط زیست، مکانیک و خودروسازی در مورد کاهش آلاینده های خروجی از اگزوز خودروها حاصل کرده اند، این است که با تغییر در موتور خودرو نمی توان به استانداردهای کنونی و کاهش آلودگی هوا در شهرهای بزرگ دست یافت، بلکه باید موتور خودرو را بدون توجه به آلاینده های تولیدی طراحی کرد و سپس با کمک کاتالیست ها، گازهای خروجی را به استانداردهای آلودگی رساند.
مبدل کاتالیستی:
مبدل کاتالیستی اگزوز خودرو که بین موتور و انباری اگزوز خودرو نصب می شود گازهای آلاینده خروجی از اگزوز خودرو را به ترکیبات نا آلاینده و بی ضرر برای محیط زیست تبدیل کرده و کاهش بسیار زیاد آلاینده های حاصل از احتراق سوخت را سبب می شود. این مبدل ها قادرند ۹۵ تا ۹۹ درصد گازهای خروجی از اگزوز را تصفیه کنند.
شکل مبدل کاتالیستی و محل نصب آن در خودرو.
کاتالیست ها:
اولین بار کاتالیست در سال ۱۸۳۶ توسط آقای برزیلیوس به عنوان ترکیبی که سرعت واکنش شیمیایی را افزایش داده ولی در نهایت توسط این واکنش مصرف نمی شود، تعریف شد. همچنین این مواد، قادر به فعال ساختن واکنش دهنده ها در دمائی می باشند که بدون حضور کاتالیست انجام واکنش در آن دما به کندی انجام می گیرد. برخی واکنش ها خودبخودی هستند ولی انرژی اکتیواسیون بالایی دارند، به همین دلیل پیشرفت واکنش در آن ها پایین است. کاتالیست ها با کاهش انرژی اکتیواسیون انجام واکنش را از نظر سینتیکی تسهیل می کنند. به هر حال کاتالیست تنها بر سرعت واکنش تاثیر می گذارد ولی بر روی ترمودینامیک واکنش و ترکیب تعادلی تاثیر گذار نیست.
انواع کاتالیست ها:
کاتالیست یکی از مهمترین و ضروری ترین اجزاء صنایع شیمیایی است. انواع کاتالیست های مورد استفاده در صنایع مختلف و تنوع آنها بسیار بالا است. کاتالیست ها را می توان به سه گروه کلی کاتالیست های هموژن، هتروژن و بیوکاتالیست تقسیم بندی نمود. در نوع بیوکاتالیست ها از آنزیم ها به عنوان جزء فعال کاتالیست استفاده می شود. کاتالیست های هموژن حالت فیزیکی یکسانی (مایع و گاز) با واکنشگرها و محصولات دارند. کاتالیست های هتروژن در حالت فیزیکی متفاوت از واکنشگر ها و محصولات قرار دارند. مثلا برای یک سیستم جامد-گاز کاتالیست سطح مورد نیاز برای واکنش شیمیایی را فراهم می کند. کاتالیست مولکول های واکنشگر را در مراکز خاصی از سطح خود که فصل مشترک بین کاتالیست و مولکول های واکنشگر موجود است، جذب می کند. کاتالیست های هتروژن به دو دسته کلی کاتالیست های بدون پایه و کاتالیست های دارای پایه تقسیم بندی می شوند. یک مثال برای کاتالیست های بدون پایه، شبکه های سیمی مانند پلاتین ارودیم است که برای اکسیداسیون آمونیاک به گاز NO برای تولید اسید نیتریک به کار می رود. اکثر کاتالیست های هتروژن کاتالیست های دارای پایه هستند که فاز کاتالیستی بر روی یک حامل با سطح ویژه بالا قرار دارد که این حامل به عنوان توزیع کننده یکنواخت و پایدار کننده فاز کاتالیستی عمل می کند. سطح ویژه ساپرت های معمول مانند کربن فعال، زئولیت، سیلیکاژله و آلومینای فعال از 1.5 تا ۱۵۰۰ متر مربع بر گرم هستند. کاتالیست نهایی می تواند به شکل گندله یا مونولیت اصلاح شده به دلیل انتقال جرم و حرارت بهتر ساخته شوند. مزیت کاتالیست های هموژن به گزینش پذیری بالاتر آنها است، درحالیکه برتری کاتالیست های هتروژن سهولت در بازیابی و همچنین جداسازی محصولات از آنها است. به علاوه کاتالیست های هتروژن در مقایسه با هموژن از نظر حرارتی خیلی پایدارتر هستند. بر طبق این حقیقت، کاتالیست های هتروژن در صنعت پتروشیمی و تولید انبوه مواد شیمیایی اصلی به طور گسترده ای کاربرد دارند.
خواص کاتالیست ها:
خواص کاتالیست ها که در ذیل به آنها اشاره شده، به عوامل مختلفی مانند: اندازه ذرات، مورفولوژی ذرات، نظم در قرار گیری آنها و …. وابسته است. با کنترل دقیق اندازه کریستال ها، مساحت سطوح، مواد تشکیل دهنده و همچنین ساختار و اندازه منافذ می توان فعالیت، گزینش و پایداری این کاتالیست ها را مؤثر برای انجام واکنش های گوناگون تبدیل کرد. انتخاب پذیری یا گزینش مواد، یکی از مهم ترین خواص و ویژگی های کاتالیست هاست. به عبارت دیگر، کاتالیست ها باید بتوانند از میان صدها واکنشی که ممکن است انجام شود، واکنش مورد نظر را بصورت انتخابی تسریع کنند. فعالیت یک کاتالیست بصورت صحیحی به شکل سرعت بر واحد سطح فعال (معمولأ متر مربع) بیان می گردد. مهمترین پارامتر در این رابطه سطح ویژه کاتالیست ها است. اگر سرعت انتقال واکنش گرها به سطح و خروج محصولات از سطح، سریع تر از واکنش کاتالیستی باشد، در این صورت سرعت واکنش متناسب با مساحت فاز فعال کاتالیست خواهد بود . پایداری یکی دیگر از خصوصیات مورد نظر جهت مواد کاتالیستی است که با توجه به استفاده از آن ها در دستگاه ها و خطوط کارخانه باید تا زمان های هر چه طولانی تر قابلیت کاتالیستی خود را حفظ نمایند. بدیهی است چنانچه عمر یک کاتالیست کوتاه باشد هزینه های سنگین تعویض و بازیابی آن برگردن مصرف کنندگان و تولیدکنندگان می افتد.
ساختار مبدل های کاتالیزوری:
مبدل کاتالیزوری درون سیستم اگزوز بین چندراهی اگزوز و صدا خفه کن نصب می شود. اندازه و شکل پیکربندی نهایی مبدل کاتالیزوری، بسته به شرکت سازنده اتومبیل متفاوت است ولی به طور معمول دارای ۵-۶ اینچ قطر و ۱۳ اینچ طول و دارای کانال هایی به شکل لانه زنبوری می باشد.
شکل نمایی از قسمتهای اصلی مبدل کاتالیزوری.
به طور کلی مبدل های کاتالیزوری خودروها از ۵ قسمت اصلی تشکیل شده اند:
1-پایه کاتالیزور یا زیرلایه
٢-لایه یا پوشش میانی
۳-کاتالیزور
۴-محافظ نمدی
5-محافظ فلزی.
شرح پروژه:
در این پروژه شبیه سازی مبدل کاتالیستی در نرم افزار انسیس ANSYS CFX انجام شده است.
مش بندی و شبکه:
مش بندی و تولید شبکه در نرم افزار ANSYS Meshing انجام شده است.
شبیه سازی و حل:
شبیه سازی و حل در نرم افزار ANSYS CFX انجام شده است.
