Convertidores Catalíticos: Control de Gases de Combustión
-
Upload
universidad-de-pamplona-colombia -
Category
Engineering
-
view
337 -
download
3
Transcript of Convertidores Catalíticos: Control de Gases de Combustión
Convertidores catalíticos
Control de gases de escape de los
vehículos a motor
Yorman Zambrano Si lva
Jenny Maldonado
Sandra Locarno
Estudiantes de Ingeniería Química
C a t á l i s i s H e t e r o g é n e a
UNIVERSIDAD DE PAMPLONA
Colombia
GeneralidadesGases de combustión y Contaminación del aire
Fuentes de emisión
Procesos de combustión
Fuentes móviles
Motor de encendidopor chispa
Motor de compresióndiesel
Fuentes estacionarias
Generadoresde energíaeléctrica
Combustión
Elemento combustible (gasolina) que se combina con otro comburente(O2 gaseoso), con desprendimiento de calor.
Reacción exotérmica que produce:
• Calor al quemar combustible• Luz al arder
• Límite máximo y mínimo de combustible
• Cantidad específicade aire
1 gr Gasolina;
14,7 gr de aire
Combustiónideal
Combustiónreal
Relación aire combustible
Mezclas aire-combustible
• Exceso de combustible absorbido en relación con el aireque se aspira
• Combustible no se combustiona por completo: expulsadoen forma de hollín y CO
MEZCLA RICA
• Exceso de aire en la mezcla
• Se incrementa la temperatura de la cámara de combustiónfacilita la aparición de óxidos de nitrógeno
• Contenido de combustible reducido: no llega a inflamarse
MEZCLA POBRE
• El aire contiene todo el oxígeno requerido para que el combustible reaccione sin dejar residuosMEZCLA
ESTEQUIOMÉTRICA
Gases producto de la combustión
Motor de combustion interna: no se quema porcompleto el combustible
en los cilindros
Combustión no regulada: mayor cantidad de sustancias nocivas
Combustión incompleteaelevación de components
contaminantes
GASES INOFENSIVOS
Gas inerte
79% del aire
Condicionesde presión ytemperaturaelevadas:NOx
21% del aire
Combustióncompleta:consumototal
Subproducto de la combustión
En exceso: prejudicial para el ambiente
Efectoinvernadero: calentamientoglobal y cambiosclimáticos
Subproductode la combustión
Días fríos: Humo blanco
Condensado: goteo
Gases contaminantes
HIDROCARBUROS NO
COMBUSTIONADOS
ÓXIDOS DE NITRÓGENO
(NOx)
ÓXIDOS DE CARBONO
(COx)
MATERIAL PARTICULADO
Hidrocarburos no combustionados (HCS)
Moléculas de combustible inicial o que no fue quemado enel proceso de combustión
Olor penetrante fácilmente identificable
Falta de oxígeno en la combustión(mezcla rica)
Velocidad de inflamación muy baja(mezcla pobre)
80% de HCs se producen en el
arranque en frío
(1-3 min)
10% Metano
30% alquenos
30% alcanos
30% aromáticos
Combustible que no se
quemótotalmente
Parafinas
Olefinas
Aldehídos
Cetonas
Ácidos Carbónicos
Óxidos de carbono (COx)
CO: Gas incoloro, parcialmente soluble enagua y muy tóxico
Afinidad química para disociarse con la hemoglobina (220 veces O2) Disminución
de la entrega de O2 a los tejidos.
CO2: Sin olor ni sabor. Presente de forma natural en la atmósfera. Concentraciones
elevadas: efecto invernadero
Óxidos de nitrógeno (NOx)
Mezcla de NO, NO2 y N2O4 (estabilidad)
N2O4 : Gas amarillo pálido, mayor densidad que el aire.
Soluble en agua. Dímero del NO2
NO2 gaseoso: Color pardo-rojizo, muy volátil, irritante.Reacciona con agua (ácidos nítricos y nitrosos). Fuerte oxidante.Ataca a los metales (humedad ácido nítrico)
NO: Gas incoloro e inodoro. Poco soluble en agua. Mayor
densidad que el aire. Poco reactivo: formación de NO2
MATERIAL PARTICULADO
Mezcla de partículas líquidas y
sólidas de sustanciasorgánicas e
inorgánicas en el aire
Hollín o cenizas enmotores diesel:
Sulfatos, Nitratos, Amoníaco, NaCl, Carbón, Polvo de minerales, Agua
Diámetro
aerodinámico en
PM10 (diámetro < 10 μm)
PM2,5 (diámetro < 2,5 μm)
COMPOSICIÓN DE LA CORRIENTE
EFLUENTE DE LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN
ARRANQUE EN FRÍO DEL MOTOR (2 min)
control de la emisión de HCsno quemados
no resuelto
• Gas nitrógeno (N2).
• Dióxido de carbono (CO2).
• Vapor de agua (H2O).
• Monóxido de carbono (CO)..
• Hidrocarburos o compuestos orgánicos volátiles (COV).
• Óxidos de nitrógeno (NO y NO2, denominados conjuntamente "NOx").
Contaminantes producidos por un motor de automóvil
• Gas nitrógeno (N2).
• Dióxido de carbono (CO2).
• Vapor de agua (H2O).
• Monóxido de carbono (CO).
• Hidrocarburos o compuestos orgánicos volátiles (COV).
• Óxidos de nitrógeno (NO y NO2, denominados conjuntamente "NOx").
Contaminantes producidos por un motor de automóvil
ConvertidorCatalítico
Materiales y funcionamiento
Convertidor Catalítico
Constitución
•Platino
•Rodio
•Paladio
Funcionamiento
Funcionamiento en ciclo cerrado
Doble vía
DOS REACCIONES SIMULTÁNEAS
2CO + O2 → 2CO2
CxH2x+2 + [(3x+1)/2] O2 → xCO2 + (x+1) H2O
Triple vía
TRES REACCIONES SIMULTÁNEAS
2NOx → xO2 + N2
2CO + O2 → 2CO2
CxH2x+2 + [(3x+1)/2] O2 → xCO2 + (x+1) H2O.
Tipos de catalizadores
Según el sistema de funcionamiento, los catalizadores pueden ser de trestipos:
Catalizador oxidante:
Dispone de un solo soporte cerámico que permite la oxidación delmonóxido de carbono (CO) y de los hidrocarburos (HC).El oxido de nitrógeno (Nox) no se ve afectado por este tipo decatalizadores. Se utilizan principalmente en motores Diesel.
• De un monolito cerámico (1) en forma de nido de abeja. Sobre lasparedes de este panel se deposita la sustancia que contiene metalespreciosos (esencialmente platino).
• De una malla metálica (2) que permite la sujeción del monolito en sucoquilla.
• De una envoltura (3) que incluye los conos de entrada y salida quepermiten optimizar la repartición del flujo de los gases de escape.
• Catalizador de dos vías:
El primer cuerpo actúa sobre los gases ricos de escape, reduciendo el
oxido de nitrógeno (Nox).
El segundo lo hace sobre los gases empobrecidos gracias a la toma
intermedia de aire, reduciendo el monóxido de carbono (CO) y los
hidrocarburos (HC).
Son los mas complejos, sofisticados y caros.
Los catalizadores de este tipo se llaman de "tres vías", porque en ellos se reducen simultáneamente los tres elementos nocivos mas importantes: monóxido de carbono (CO), hidrocarburos (HC) y oxido de nitrógeno (Nox).
Su mayor eficacia depende de la mezcla de los gases de admisión.
Para que funcione perfectamente, es preciso que la mezcla aire-gasolina tenga la relación estequeometrica ( 1kg gasolina / 14,7 Kg de aire).
Es, por tanto. necesario un dispositivo que controle la composición de la mezcla. Este dispositivo es la "sonda lambda".
• Catalizador de tres vías (A desarrollar)
La depuración catalítica se basa en dos reacciones químicas:
Reducción: Extracción de oxígeno de los componentes de los gases deescape.
Oxidación: Adición de oxígeno a los componentes de los gases de escape(recombustión).
Funcionamiento del Convertidor Catalítico
La reducción de los óxidos de nitrógeno , NO y NO2 , a nitrógeno:
NO, NO2 N2 + O2
La oxidación del monóxido de carbono, CO y de los restos dehidrocarburos sin quemar , CxHy a dióxido de carbono y agua;
CO, CxHy CO2 + CO2 +H2O
Funcionamiento del Convertidor Catalítico
Catalizador de reducción
Utiliza platino y rodio para ayudar a reducir las emisiones de NOx. Elátomo de nitrógeno se une a otros átomos de nitrógeno adheridos alcatalizador, y forman N2.
2NO N2 + O2 o 2NO2 N2 + 2O2
Catalizador de oxidación
Oxida los hidrocarburos y el monóxido de carbono no quemados,quemándolos (oxidándolos) sobre un catalizador de platino y paladio.Este catalizador colabora con la reacción del CO y los hidrocarburoscon el oxígeno restante en el gas del escape.
2CO + O2 2O2
Reducción y Oxidación: Materiales en cada uno.
Las dos funciones requieren dos catalizadores diferentes.
Aunque ambos suelen ser materiales del mismo tipo: metales nobles (Pt) uóxidos de metales de transición (V2O5, Cr2O3).
Pero sucede que si el catalizador es muy efectivo en una reacción , loes poco en la otra , por lo cual es necesario el empleo de dos de ellos:
Rodio para Reducción (Rh)
Paladio para Oxidación (Pd)
El platino y el rodio por medio de reacciones de reducción eliminan los átomos de oxígeno de las moléculas de NOx para formar nitrógeno y oxígeno.
El platino y el paladio con reacciones de oxidación contribuyen a que
los hidrocarburos y CO de los gases de escape se transformen
en dióxido de Carbono y agua.
Estructura del Convertidor Catalítico
Hay dos tipos principales de estructuras que se utilizan en losconvertidores catalíticos: alveolar y de cuentas cerámicas. En laactualidad la mayoría de los automóviles utiliza una estructura alveolar(como las celdillas de los panales de abeja).
Ubicación del convertidor catalítico
De la eficiencia del convertidor da prueba el hecho de que los gasessalidos del motor están en contacto con los catalizadores solamente0,1 – 0,4 segundos , tiempo durante el cual el 95% de CO y CxHy , y el75% de NO y NO2 son eliminados.
Se nominan de dos o tres vías por el grado de descontaminación quegeneran, no por el número de celdas.
Desventajas del Convertidor catalítico
• Un control preciso de la cantidad de mezcla hidrocarburo/aire que sólose logra con los nuevos carburadores y sistemas de inyección decombustible. Tener un sensor de oxígeno en los gases de escape.
• Evitar los aditivos con plomo pues causan daños irreversibles alconvertidor catalítico.
• El optimo rendimiento se alcanza entre los 400 y 700º C.
VideoGases de combustión y Contaminación del aire
GRACIASUNIVERSIDAD DE PAMPLONA
Colombia
Control de gases de escape de los
vehículos a motor
C a t á l i s i s H e t e r o g é n e a