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

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. Generalidades
Gases de combustión y Contaminación del aire

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. 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. • 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. 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. 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. 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. Gases contaminantes
HIDROCARBU
ROS NO
COMBUSTION
ADOS
ÓXIDOS DE
NITRÓGENO
(NOx)
ÓXIDOS DE
CARBONO
(COx)
MATERIAL
PARTICULADO

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. 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. 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. 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. COMPOSICIÓN DE
LA CORRIENTE
EFLUENTE DE LOS
MOTORES DE
COMBUSTIÓN

15. ARRANQUE EN
FRÍO DEL
MOTOR
(2 min)
control de la emisión de HCs
no quemados
no resuelto

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. • 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. Convertidor
Catalítico
Materiales y funcionamiento

19. Convertidor Catalítico

20. Constitución
•Platino
•Rodio
•Paladio

21. Funcionamiento
Funcionamiento en ciclo cerrado

22. Doble vía
DOS REACCIONES SIMULTÁNEAS
2CO + O2 → 2CO2
CxH2x+2 + [(3x+1)/2] O2 → xCO2 + (x+1) H2O

23. Triple vía
TRES REACCIONES SIMULTÁNEAS
2NOx → xO2 + N2
2CO + O2 → 2CO2
CxH2x+2 + [(3x+1)/2] O2 → xCO2 + (x+1) H2O.

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. • 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. • 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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.

38. 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).

39. Ubicación del convertidor catalítico

40. 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.

42. Se nominan de dos o tres vías por el grado de descontaminación que
generan, no por el número de celdas.

44. 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.

45. Video
Gases de combustión y Contaminación del aire

47. 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