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

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Control de gases de escape de los

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