Cantera：触媒燃焼を計算する

※Canteraバージョン：3.0.0

Canteraでメタンの触媒燃焼を計算してみる。

触媒燃焼は触媒表面上で燃焼を起こさせるものであり、自動車など排ガスの後処理などに使われる。ここでは、メタンの白金（Pt）触媒での燃焼を計算する。

計算モデル

図のようなハニカムの白金触媒を考える[1]。メタンガスがハニカム内を流れる間に触媒表面で反応を起こし燃焼する。

計算モデルは、以下のプラグフロー反応器のモデルに表面反応を追加したものである。計算では一本の流路チャネルのみを考える。

計算プログラム

プラグフロー反応器のプログラムと基本的に同じなので、追加した表面反応部分のみを説明する。

ソースコード（GitHub）

area_cat_vol = 3149.0 # catalyst area [m2/m3]
porosity = 1.0 # catalyst porosity

area_cat_volは単位体積あたりの触媒表面積である。porosityは多孔率。

# define object gas
file_name = 'ptcombust.yaml'

反応メカニズムは、Deutschmannのメカニズム[2]を使う。Canteraのインストールデータに入っている。

# define object surface
surf = ct.Interface(file_name, 'Pt_surf', [gas])
surf.TP = Tin, p

表面のオブジェクトを定義する。

area_cat = area_cat_vol * vol
rsurf = ct.ReactorSurface(surf, r, A=area_cat)

area_catは、プラグフローモデルの一単位反応器あたりの触媒表面積である。表面反応の反応器ReactorSurfaceを定義する。

あとはプラグフローと同様に解く。

触媒入口からの距離に対する温度と化学種のモル分率を示す。入口から徐々に反応が進んで行く様子がわかる。

表面サイトの化学種濃度の結果。

文献[1]によると、ここで使っているメカニズムは実測との乖離があるようなので、また別のメカニズムで検証してみたい。

参考文献

[1] Kumaresh, S.; Kim, M. Y. Analysis of catalytic combustion in a tubular reactor with methane-air premixtures over the platinum catalyst. Journal of Mechanical Science and Technology, 2017, vol. 31, no. 7, p. 3603-3610.

[2] Deutschmann, O.; Schmidt, R.; Behrendt, F.; Warnatz, J. Numerical modelling of catalytic ignition. Twenty-Sixth Symposium (International) on Combustion, The Combustion Institute, 1996, p.1747-1754.