Каталитический процесс.

Введение

Катализаторы ОГ используются в автомобилях с начала 70-х годов. Первые страны, в которых из-за жестких норм токсичности ОГ появились катализаторы, были США и Япония. В Германии автомобили начали оснащать катализаторами лишь в начале 80-х годов. С помощью катализаторов возникающие при сгорании бензина ядовитые вещества СО, СН, NOy превращаются в безвредные С02, Н20 и N2.
Для каталитического дожигания ядовитых компонентов ОГ их нужно пропустить через катализатор, прежде чем они покинут выхлопную систему. Внутри катализатора имеется очень пористый несущий материал из керамических или металлических блоков. Этот несущий материал покрывается сначала оксидным промежуточным слоем (Washcoat), а поверх него — каталитически активным слоем из благородных металлов (платины и/или палладия и родия). На каталитически активном слое происходят химические реакции, при которых еще ядовитые оксид углерода и оксиды азота превращаются в диоксид углерода и элементарный азот, а углеводороды — в диоксид углерода и воду.
У регулируемых трехкомпонентных катализаторов (тройного действия) с помощью лямбда-зонда определяется остаточное содержание кислорода в выхлопе для регулирования состава смеси. Таким-образом, можно соблюсти оптимальное соотношение топлива и воздуха Х=1. В результате получается точно адаптированный к катализатору состав ОГ. У новых систем степень нейтрализации ядовитых компонентов достигает 98%.


1 Классификация существующих катализаторов

1.1 Классификация существующих нейтрализаторов

В основе известных классификаций нейтрализаторов преимущественно лежат следующие признаки: область применения (тип рабочего процесса ДВС); основная реакция нейтрализации; вид каталитического носителя; конструктивные особенности нейтрализатора и обеспечивающих его работу систем.
В зависимости от типа рабочего процесса двигателя, используемого на автомобиле, конструкции нейтрализаторов подразделяются на дизельные, предназначенные для обработки отработавших газов с относительно небольшим содержанием окиси углерода и углеводородов и высоким окислительным потенциалом, и бензиновые ДВС (двигателей с искровым зажиганием). Последние характеризуются более высокой теплонапряженностью [1].
По характеру основной реакции нейтрализации отработавших газов нейтрализаторы могут быть подразделены на окислительные, восстановительные и трехкомпонентные, или бифункциональные.
Наиболее распространенными являются окислительные нейтрализаторы, иногда называемые дожигателями, назначением которых является окисление продуктов неполного сгорания (окиси углерода, углеводородов и альдегидов). Их устанавливают как на дизели, так и на бензиновые двигатели.
Нейтрализаторы восстановления окиси азота получили значительно меньшее распространение главным образом из-за особых требований к составу отработавших газов, поступающих на катализатор. Как упоминалось ранее, для успешной реализации соответствующих восстановительных реакций состав смеси газов, поступающих на катализатор, должен быть слабо восстановительным или нейтральным. Выполнение этого условия в случае каталитической обработки отработавших газов дизелей оказывается практически невозможным из-за высокого содержания кислорода в отработавших газах этого типа двигателей.
Для нейтрализации окислов азота в газах бензиновых двигателей нейтрализатор иногда имеет специальную ступень для поглощения кислорода из газовой смеси. Для этой цели обычно используют каталитическую реакцию между содержащимся в отработавших газах кислородом и окисью углерода [1].
Помимо дополнительной ступени оптимальный состав отработавших газов может поддерживаться также с помощью топливной аппаратуры. Принцип действия трехкомпонентных нейтрализаторов основывается на процессе одновременной и достаточно эффективной очистки (до 80%) на катализаторе всех трех основных токсичных компонентов отработавших газов бензиновых двигателей (окиси углерода, углеводородов и окислов азота) при условии строгого контроля состава топливовоздушной смеси, который может быть обеспечен специальными системами топливоподачи.
Геометрическая форма и структура каталитического носителя также определяют тип конструкции нейтрализатора

. Существуют два вида катализатора. Их получают нанесением активного компонента на гранулированный (чаще всего сферический) носитель и носитель блочной или монолитной структуры. Соответственно различают и две конструкции нейтрализаторов. Основным достоинством нейтрализаторов с гранулированным катализатором является возможность замены вышедшего из строя катализатора. К числу недостатков нейтрализаторов подобного типа относятся высокое аэродинамическое сопротивление каталитического слоя, а также недостаточно полное использование каталитической поверхности из-за наличия застойных зон. С точки зрения улучшения масса- и теплообмена лучшими являются каталитические нейтрализаторы с кипящим слоем, однако они не получили распространения в системах очистки отработавших газов ДВС главным образом из- за интенсивного истирания и уноса каталитически активного вещества из реакционной зоны [1].
Наиболее совершенными в настоящее время являются нейтрализаторы с блочным катализатором. Использование блочных катализаторов позволяет по сравнению с гранулированными катализаторами уменьшить объем, массу и площадь поперечного сечения нейтрализаторов.
Необходимо отметить, что существует 3 основных типа конструкции катализаторов:
насыпной (корпус катализатора заполнен гранулами, покрытыми каталитическим материалом) — в настоящее время не применяется;
керамический (несущий материал — керамический блок);
металлический (несущий материал — металлический блок) [2].

1.2 Особенности конструкции нейтрализаторов

Каталитические нейтрализаторы конструктивно состоят из входного и выходного устройств, служащих для подвода и выхода нейтрализуемого газа, корпуса и заключенного в него реактора, представляющего собой активную зону, где и протекают каталитические реакции.
Реактор нейтрализатора работает в условиях, характеризуемых высоким уровнем и значительными градиентами температур, а также частыми теплосменами. Кроме того, нейтрализатор подвержен действию вибрационных нагрузок, а материал, из которого он изготовлен, работает в условиях агрессивных сред. Обеспечивая эффективную очистку отработавших газов, нейтрализатор по надежности не должен уступать основным узлам и агрегатам двигателя.
Температурные поля в нейтрализаторе зависят от состава отработавших газов и температуры входящего в реактор потока. Возможные пределы изменения температур различных частей нейтрализатора, полученные обобщением результатов проведенных исследований, показаны на рисунке 1.


Рисунок 1 – Возможные пределы изменения температуры основных узлов нейтрализатора

Важной проблемой, возникающей при конструировании реактора нейтрализаторов с гранулированным катализатором, является разрушение гранул, обусловленное различными коэффициентами объемного расширения материалов реактора и носителя катализатора. При нагреве реактора указанная разница приводит к появлению свободного объема и вследствие этого переупаковке гранул [1].
При охлаждении реактора из-за сил трения гранулы не могут полностью восстановить свое первоначальное положение, в результате чего в каталитическом слое и реакторе возникают значительные напряжения, прогрессивно увеличивающиеся при многократном повторении цикла нагревание—охлаждение, что может привести к разрушению катализатора или деформации реактора.
Помимо напряжений, вызываемых силами трения между катализатором и стенками реактора, возникают также и термические напряжения, обусловленные значительными градиентами температур между различными деталями или в самих деталях нейтрализатора, например, входной и выходной решетками реактора, решетками реактора и корпусом нейтрализатора и т.п. Такие напряжения характерны не только для переменных во времени, но и для стационарных температурных полей.
Существует несколько принципиально отличающихся путей решения проблемы предохранения катализатора и нейтрализатора от разрушений