Каталитиская очистка выхлопных газов

Каталитиская очистка выхлопных газов

Анататция
В статус рассмотрены условия каталитической очистки выхлопных газов двигателей сгорания (ДВС)

Лучшие образцы современных автомобилей загрязняют атмосферу вредными выбросами примерно в 10 раз меньше, чем их предшественники конца 60-х годов Такой прогресс достигнут путем как совершенствования конструкции и технологии изготовления автомобильных двигателей, так и массового использования каталитических нейтрализаторов. С 1974 г. в мире ежегодно выпускается более 10 млн. нейтрализаторов, представляющих со бой миниатюрные химические реакторы, устанавливаемые в выпускной системе автомобиля .Протекающие в нейтрализаторах каталитические реакции полностью или частично обезвреживают токсичные компоненты отработавших газов. Применяемые нейтрализаторы отличаются большим разнообразием конструкций. При идеальном сгорании стехиометрической смеси углеводородного топлива с воздухом продукты сгорания должны состоять из двуокиси углерода СО, и паров воды Н.О. в продуктах сгорания также содержится азот N2. В реальных условиях отработавшие газы содержат дополнительно следующие группы веществ: продукты неполного сгорания окись углерода, альдегиды, кетоны, углеводороды (включая канцерогенные), водород, перекисные соединения, а также твердые частицы сажу: термических реакций между азотом и кислородом продукты (окислы азота); соединения, в том числе окисные, неорганических веществ, присутствующих в топливе (сернистый ангидрид).Сущность процессов каталитической нейтрализации заключается во взаимодействии токсичных компонентов отработавших газов между собой или с избыточным кислородом, в результате чего вредные для окружающей среды и здоровья человека соединения в нетоксичные. Основными итогами процессов являются окисление окиси углерода и углеводородов:

а также восстановление окиси азота продуктами неполного сгорания топлива, главным образом окисью углерода

Кроме того, между компонентами ОГ и кислородом может протекать целый ряд побочных реакций, в частности:

и некоторые другие. Термодинамический расчет показывает, что при температурах до 1000° С реакции протекают в направлении формирования нетоксичных соединений, что сопровождается большим изменением свободной энергии. Однако при относительно невысоких температурах в выпускном тракте ДВС (300-800° С) скорость этих процессов невелика, к за время пребывания в системе выпуска состав газов изменяется не значительно. Для ускорения протекающих реакций используют катализаторы, которыми являются вещества, способные увеличивать скорость реакции, приводящей к получению желаемого продукта . При этом количество вещества катализатора остается неизменным. Наиболее важные параметры любого катализатора - активность и селективность. Активность - способность катализатора инициировать тот или иной химический процесс. Она обычно характеризуется степенью превращения реагирующих компонентов (реактантов) при определенной температуре:

Для составления различных катализаторов и оценки изменения их эффективности в процессе работы обычно используют зависимость между степенью превращения и температурой (рве F) или температурой Т., при которой достигается заданная степень про вращения. Чем больше кривая хт=f(T) сдвинута влево, тем эффективнее протекают каталитические процессы на режимах, Характеризуемых низкой температурой отработавших газов. К таким режимам относятся режимы работы при прогреве двигателя и на холостом ходу. Обычно на этих режимах отработавшие газы характеризуются повышенной концентрацией окиси углерода и углеводородов. Целесообразно отдельно рассмотреть такой параметр каталитического процесса, как объемная скорость, которая определить

Рис. 1. Степень превращения реагентов на поверхности катализатора в зависи мости от температуры реакции
Рис. 2. Степень превращения окиси углерода, углеводородов и водорода на поверхности катализатора в зависимости от температуры реакции: а-катализаторы окисного типа, б- катализаторы на благородных металлах; 1-CO;2-
удельную газовую нагрузку на катализатор и представляет собой отношение приведенного к нормальным условиям объема газовой смеси, прошедшей через катализатор за 1 ч, к насыпному объему катализатора. Иногда вместо объемной скорости используют время пребывания, т. е. время прохождения через катализатор объема газов, равного объему катализатора,

Чем меньше время пребывания, тем большее количество газа по объему может быть обработано на катализаторе в единицу времени. Термин селективность характеризует способность катализатора из нескольких возможных реакций ускорять те, которые ведут к достижению желаемого результата. В рассматриваемом случае под понятием селективность подразумевается активирование только тех реакций между компонентами отработавших газов и кислородом, в результате которых получают нетоксичные соединения. Механизм каталитического окисления окиси углерода и угле водородов на катализаторах сложен . В основе процессов, протекающих на катализаторах, лежат процессы автоматизации и нонизации кислорода, после чего его способность химически взаимодействовать с окисью углерода и углеводородами резко возрастает .Важным критерием, определяющим скорость окисления, является также энергия межатомной связи. Чем она ниже, тем при более низких температурах достигается заданная степень превращения. По мере перехода от непредельных углеводородов к предельным и с уменьшением числа углеродных атомов в молекулах углеводородов температура, при которой достигается заданная степень превращения, повышается. Максимальное значение температуры соответствует окислению наиболее стабильного из углеводородов метана- При относительно низких температурах скорость процесса на катализаторе зависит также от концентрации реагирующих компо нентов. В первом приближении кинетика окисления окиси углерода в условиях, типичных для отработавших газов автомобильного двигателя, может быть описана следующими уравнениями.
На окисных катализаторах

На платиновых катализаторах при малых степенях превращения CO

При высоких степенях превращения (80%)

Константы определяются в первую очередь природой катализатора, влагосодержанием и в меньшей степени концентра цией углеводородов в реакционной смеси, которые влияют на ад сорбцию реагентов на поверхности катализатора. Платико-палла диевые катализаторы более чувствительны к влаге и углеводородам в потоке отработавших газов, чем катализаторы на основе переходных металлов. Установлено, что при наличии окиси азота в реакционной смеси заметно понижается активность платиновых катализаторов в реакции окисления окиси углерода. Скорость окисления углеводородов в общем случае описывается уравнением

Константы могут быть рассчитаны из выражения -(exp(E/R)) Определенные для некоторых катализаторов энергия активации E и lg приведены в табл.1
щаться до 75% окиси азота) не велики и не представляют серьезной для загрязнения атмосферы. Однако для нейтрализации окиси азота часто используют последовательно установленные восстановительные и окислительные нейтрализаторы, между которыми подается дополнительный воздух (двух ступенчатая схема). При наличии избыточного кислорода аммиак способен вновь окисляться до окиси азота. Поэтому одной из серьезных задач при создании катализаторов восстановления окислов азота является повышение их селективности, под которой в рассматриваемом случае подразумевается обеспечение преимущественного протекания реакций восстановления в направлении образования молекулярного азота и подавления реакции синтеза аммиака. Источником образования двуокиси серы в отработавших газах является сера, содержащаяся в топливе и маслах. В зависимости от условий очистки нефтепродуктов содержание серы в топливе может достигать 0,3% по массе. В присутствии кислорода двуокись серы окисляется на катализаторе до трехокиси.

Константы реакции окисления углеводородов и окиси углерода
для некоторых катализаторов

Литература
1.Сокольский. Д.В Попова Н.М Каталитиская очистка выхлопных газов Алма- Ата “Наука”1970г