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Convertidores Catalíticos: Control de Gases de Combustión

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El presente trabajo es una breve introducción del estudio de los convertidores catalíticos: Análisis de la ciencia involucrada y funcionamiento.

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Convertidores Catalíticos: Control de Gases de Combustión

  1. 1. Convertidores catalíticos Control de gases de escape de los vehículos a motor Yorman Zambrano Silva 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
  2. 2. Generalidades Gases de combustión y Contaminación del aire
  3. 3. Fuentes de emisión Procesos de combustión Fuentes móviles Motor de encendido por chispa Motor de compresión diesel Fuentes estacionarias Generadores de energía eléctrica
  4. 4. 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
  5. 5. • Límite máximo y mínimo de combustible • Cantidad específica de aire 1 gr Gasolina; 14,7 gr de aire Combustión ideal Combustión real Relación aire combustible
  6. 6. Mezclas aire-combustible • Exceso de combustible absorbido en relación con el aire que se aspira • Combustible no se combustiona por completo: expulsado en forma de hollín y CO MEZCLA RICA • Exceso de aire en la mezcla • Se incrementa la temperatura de la cámara de combustión facilita 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
  7. 7. Gases producto de la combustión Motor de combustion interna: no se quema por completo el combustible en los cilindros Combustión no regulada: mayor cantidad de sustancias nocivas Combustión incompletea elevación de components contaminantes
  8. 8. GASES INOFENSIVOS Gas inerte 79% del aire Condiciones de presión y temperatura elevadas: NOx 21% del aire Combustión completa: consumo total Subproducto de la combustión En exceso: prejudicial para el ambiente Efecto invernadero: calentamiento global y cambios climáticos Subproducto de la combustión Días fríos: Humo blanco Condensado: goteo
  9. 9. Gases contaminantes HIDROCARBU ROS NO COMBUSTION ADOS ÓXIDOS DE NITRÓGENO (NOx) ÓXIDOS DE CARBONO (COx) MATERIAL PARTICULADO
  10. 10. Hidrocarburos no combustionados (HCS) Moléculas de combustible inicial o que no fue quemado en el 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 quemó totalmente Parafinas Olefinas Aldehídos Cetonas Ácidos Carbónicos
  11. 11. Óxidos de carbono (COx) CO: Gas incoloro, parcialmente soluble en agua 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
  12. 12. 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
  13. 13. MATERIAL PARTICULADO Mezcla de partículas líquidas y sólidas de sustancias orgánicas e inorgánicas en el aire Hollín o cenizas en motores diesel: Sulfatos, Nitratos, Amoníaco, NaCl, Carbón, Polvo de minerales, Agua Diámetro aerodinámico en PM10 (diámetro < 10 μm) PM2,5 (diámetro < 2,5 μm)
  14. 14. COMPOSICIÓN DE LA CORRIENTE EFLUENTE DE LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN
  15. 15. ARRANQUE EN FRÍO DEL MOTOR (2 min) control de la emisión de HCs no quemados no resuelto
  16. 16. • 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
  17. 17. • 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
  18. 18. Convertidor Catalítico Materiales y funcionamiento
  19. 19. Convertidor Catalítico
  20. 20. Constitución •Platino •Rodio •Paladio
  21. 21. Funcionamiento Funcionamiento en ciclo cerrado
  22. 22. Doble vía DOS REACCIONES SIMULTÁNEAS 2CO + O2 → 2CO2 CxH2x+2 + [(3x+1)/2] O2 → xCO2 + (x+1) H2O
  23. 23. Triple vía TRES REACCIONES SIMULTÁNEAS 2NOx → xO2 + N2 2CO + O2 → 2CO2 CxH2x+2 + [(3x+1)/2] O2 → xCO2 + (x+1) H2O.
  24. 24. Tipos de catalizadores Según el sistema de funcionamiento, los catalizadores pueden ser de tres tipos: Catalizador oxidante: Dispone de un solo soporte cerámico que permite la oxidación del monóxido de carbono (CO) y de los hidrocarburos (HC). El oxido de nitrógeno (Nox) no se ve afectado por este tipo de catalizadores. Se utilizan principalmente en motores Diesel.
  25. 25. • De un monolito cerámico (1) en forma de nido de abeja. Sobre las paredes de este panel se deposita la sustancia que contiene metales preciosos (esencialmente platino). • De una malla metálica (2) que permite la sujeción del monolito en su coquilla. • De una envoltura (3) que incluye los conos de entrada y salida que permiten optimizar la repartición del flujo de los gases de escape.
  26. 26. • 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).
  27. 27. 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)
  28. 28. La depuración catalítica se basa en dos reacciones químicas: Reducción: Extracción de oxígeno de los componentes de los gases de escape. Oxidación: Adición de oxígeno a los componentes de los gases de escape (recombustión). Funcionamiento del Convertidor Catalítico
  29. 29. 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 de hidrocarburos sin quemar , CxHy a dióxido de carbono y agua; CO, CxHy CO2 + CO2 +H2O Funcionamiento del Convertidor Catalítico
  30. 30. Catalizador de reducción Utiliza platino y rodio para ayudar a reducir las emisiones de NOx. El átomo de nitrógeno se une a otros átomos de nitrógeno adheridos al catalizador, y forman N2. 2NO N2 + O2 o 2NO2 N2 + 2O2
  31. 31. 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 hidrocarburos con el oxígeno restante en el gas del escape. 2CO + O2 2O2
  32. 32. 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) u óxidos de metales de transición (V2O5, Cr2O3). Pero sucede que si el catalizador es muy efectivo en una reacción , lo es poco en la otra , por lo cual es necesario el empleo de dos de ellos: Rodio para Reducción (Rh) Paladio para Oxidación (Pd)
  33. 33. 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.
  34. 34. Estructura del Convertidor Catalítico Hay dos tipos principales de estructuras que se utilizan en los convertidores catalíticos: alveolar y de cuentas cerámicas. En la actualidad la mayoría de los automóviles utiliza una estructura alveolar (como las celdillas de los panales de abeja).
  35. 35. Ubicación del convertidor catalítico
  36. 36. De la eficiencia del convertidor da prueba el hecho de que los gases salidos del motor están en contacto con los catalizadores solamente 0,1 – 0,4 segundos , tiempo durante el cual el 95% de CO y CxHy , y el 75% de NO y NO2 son eliminados.
  37. 37. Se nominan de dos o tres vías por el grado de descontaminación que generan, no por el número de celdas.
  38. 38. Desventajas del Convertidor catalítico • Un control preciso de la cantidad de mezcla hidrocarburo/aire que sólo se logra con los nuevos carburadores y sistemas de inyección de combustible. Tener un sensor de oxígeno en los gases de escape. • Evitar los aditivos con plomo pues causan daños irreversibles al convertidor catalítico. • El optimo rendimiento se alcanza entre los 400 y 700º C.
  39. 39. Video Gases de combustión y Contaminación del aire
  40. 40. GRACIAS UNIVERSIDAD 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

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