Selektive katalytische Reduktion von Stickoxiden in Kraftfahrzeugen ...

3.3 Thermische Zersetzung von Harnstoff
3.5.2 zeigen, dass die thermische Zersetzung von Harnstoff im Vergleich zur Wasserverdunstung
langsam ist. Daraus folgt, dass der Harnstoff für eine bestimmte Zeit
in flüssigem/festem oder gasförmigem Zustand vorliegen muss. Gasförmiger Harnstoff
scheint jedoch bei erhöhter Temperatur nicht stabil zu sein; in der Literatur finden
sich keine Anmerkungen über merkliche Konzentrationen gasförmigen Harnstoffs bei
der Einspritzung von HWL. Es kann deshalb für den ersten Fall von einer sehr schnellen
Umsetzung von gasförmigem Harnstoff zu NH3 und HNCO ausgegangen werden
(r2 >> r1). Falls dieser Reaktionsweg überhaupt auftritt, bedeutet dies, dass die Umsetzung
schon in der Grenzschicht des Partikels nahe der Oberfläche stattfindet. Die
Gesamtenthalpie für die Verdunstung von festem Harnstoff und die Reaktion von gasförmigem
Harnstoff ist + 185.5 kJ/mol und muss zur Partikeloberfläche durch die
Grenzschicht transportiert werden. Bezüglich des Wärmetransports liegt somit dieselbe
Situation wie im zweiten Fall vor, bei dem die komplette Reaktionsenthalpie der
Thermolyse von +185.5 kJ/mol das Partikel kühlt. Rein aus energetischer Sicht ist es
nicht relevant, ob der Harnstoff zuerst schmilzt oder sich direkt zersetzt, da geschmolzener
Harnstoff aufgrund seiner Oberflächenspannung nahezu sphärisch bleibt, was in
den gleichen Wärmeübergangsbedingungen resultiert.
Der Modellierung liegt die direkte Zersetzung von geschmolzenem/festem Harnstoff in
NH3 und HNCO zugrunde, wobei vereinfachend der Schmelzvorgang mit der geringen
Schmelzenthalpie von + 14.5 kJ/mol in der Thermolyse beinhaltetet ist. Da in
der Literatur bisher keine verwendbaren Korrelationen für den Phasenübergang von
Harnstoff zu finden sind, werden im Folgendem zwei mögliche Ansätze zur Berechnung
der thermischen Zersetzung vorgestellt.
3.3.2 Kinetikansatz
Im ersten Ansatz wird die thermische Zersetzung mit einem erweiterten Arrheniusansatz
beschrieben,
dmu
dt = −πDd Ae −Ea
RT d . (3.31)
Die Änderung der Partikeltemperatur wird aus der Bilanzierung der Wärmeströme
abgeleitet:
dTd
dt =
1
�
πDdλg,refNu ∗ (Tg − Td)+ dmu
dt hth
�
. (3.32)
md cp,d
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