Untersuchungen zur Adsorption in Aktivkohlebehältern ottomotorisch betriebener Personenkraftwagen

Abstract

Zur Adsorption von Benzindämpfen im Bereich des Kraftstoffversorgungssystems ottomotorisch betriebener Personenkraftwagen werden Aktivkohlebehälter eingesetzt. Weil der verfügbare Bauraum zumeist klein und verwinkelt ist, besitzen die Behälter komplizierte Formen, die für die Adsorption nicht ideal sind. Infolge eines Mangels an Stoffdaten und geeigneten theoretischen Ansätzen zur Beschreibung der dynamischen Adsorptionsvorgänge erfolgt die Entwicklung, Auslegung und Prüfung hauptsächlich auf Basis aufwendiger Versuche. Ziel dieser Arbeit ist daher, ein mathematisches Modell aufzustellen, das als Grundlage für die Simulation der Adsorptionsvorgänge dienen kann. Hierfür erforderliche und bisher nicht verfügbare Stoffdaten sowie zur Validierung notwendige Messdaten werden experimentell ermittelt. Die Umsetzung dieser Aufgabenstellung ist in drei Teilbereiche gegliedert:

1. Modellierung dynamischer Adsorptionsprozesse: Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird ein Modell zur Beschreibung dynamischer Gemischadsorptionsvorgänge entwickelt. Es basiert auf den gekoppelten Stoff- und Wärmebilanzen für die Gasphase und die feste Phase sowie auf den Strömungsgleichungen. Es ist zweidimensional formuliert und berücksichtigt die adsorptionsbedingte Abnahme des Gesamtvolumenstroms. Die Berechnung des Druck- und Geschwindigkeitsfeldes aus Kontinuitäts- und Impulsgleichungen erfolgt simultan mit der Lösung der Stoff- und Wärmebilanzen. Mittels Koordinatentransformation wird das Gleichungssystem auch für einen konischen Adsorber formuliert. Damit ist es in dieser Arbeit erstmals gelungen, zweidimensionale Profile der Zielgrößen für diesen Anwendungsfall zu berechnen.

2. Durchführung von Analysen, Gleichgewichtsmessungen und Durchbruchsuntersuchungen: Der experimentelle Teil dieser Arbeit besteht aus drei Hauptabschnitten. Zunächst wurden umfangreiche chemische, physikalische und mechanische Analysen der Adsorbentien durchgeführt. Dadurch werden beispielsweise Daten über die Härte, den Druckverlust und insbesondere die Porenradienverteilung zur Verfügung gestellt. Die Porenanalyse erfolgte mittels Pyknometrie, Adsorption von Stickstoff bei 77 K und durch Quecksilberintrusion. Mit diesen Methoden konnten Porenvolumenverteilungen für den gesamten Porenbereich ermittelt werden. Die für die Simulationsrechnungen unverzichtbare breite Grundlage von Adsorptionsgleichgewichten, die aus der Literatur nicht verfügbar ist, wurde durch eigene Messungen gelegt. Diese Daten wurden im zweiten Abschnitt des experimentellen Teils ermittelt. In dieser Arbeit wurden insgesamt 18 Isothermen von elf Stoffsystemen gemessen. Es wird damit eine Datenbasis von mehreren hundert einzelnen Gleichgewichtspunkten bereitgestellt. Sie bietet eine Grundlage für weitergehende Analysen der Adsorption von Kohlenwasserstoffen an Aktivkohle und für die Simulation dynamischer Prozesse in Adsorbern. Im letzten Teil wurde die Datengrundlage für die Modellvalidierung gelegt. Hierfür wurden Durchbruchsversuche im Labormaßstab und im technischen Maßstab durchgeführt. Einzelne experimentelle Ergebnisse werden mit Referenzdaten aus der Literatur verglichen. Auf dieser Grundlage erfolgt eine Bewertung der Güte der eigenen Messungen.

3. Simulation von Adsorptionsprozessen: Die Simulationsergebnisse im letzten Abschnitt der Arbeit liefern zweidimensionale Profile der Zielgrößen, die gute Übereinstimmung mit Messergebnissen zeigen. Damit ist es erstmals möglich, das Emissionsverhalten eines Pkw-Aktivkohlebehälters auf Grundlage von Simulationsergebnissen vorherzusagen und zu beurteilen. Für den Fall eines zylindrischen Adsorbers wird beispielsweise deutlich, dass das radiale Temperaturprofil, das durch die Wärmeabfuhr über die Wand verursacht wird, einen größeren Einfluss auf die Beladungsverteilung hat als das radiale Profil der Axialgeschwindigkeit. Für die Validierung des Modells werden eigene Messungen im technischen Maßstab herangezogen. Darüber hinaus werden Ergebnisse aus der Literatur benutzt, um zusätzliche Nachweise für die richtige Funktion des Modells zu erhalten. Weiterhin werden Parameterstudien präsentiert, die für andere Anwendungsfelder der Adsorption relevant sind. Dies liefert die Grundlage dafür, dass das Modell zukünftig zur Analyse des dynamischen Verhaltens beliebiger Stoffsysteme benutzt werden kann, bei denen zweidimensionale Effekte wichtig sind.