Сообщений в теме: 3

[Бумер]

Всем привет!Скажите что такое каталический нейтрализатор?

[DarkBMW]

Всем привет!Скажите что такое каталический нейтрализатор?

Каталический нейтрализатор автомобильных выхлопных газов.


Автор: С.В. Петров, д.т.н., А.Г. Сааков, к.т.н., НПП ТОПАС, г. Киев

Среди читателей нашего журнала немало владельцев машин. Наверняка им будет любопытно узнать, что постановление Кабинета Министров Украины от 17 сентября 1996 г. №1139 запрещает эксплуатацию легковых автомобилей, не оборудованных катализатором, с 1 января 2003 г. Но хотя в нашей стране выпуск катализаторов пока отсутствует, дышать чистым воздухом за приемлемую для автомобилистов цену возможно.

Типовой катализатор представляет собой керамический блок, пронизанный множеством тонких каналов, покрытых тончайшим слоем платины с добавкой некоторых редких металлов – родия, палладия. Он монтируется в выхлопную систему автомобиля и, как вы уже поняли, нейтрализует токсичность отработавших газов. Но высокая стоимость катализатора определяется именно дороговизной драгметаллов. На один катализатор расходуется 2–5 г платины. Цена нового катализатора импортного производства колеблется от 500 до 5000 грн. Кроме того, она зависит от марки, года выпуска, объема двигателя и технического оснащения автомобиля.

Чтобы не утомлять наших читателей подробностями, скажем только, что нормальная работа такого катализатора обеспечивается специальным кислородным датчиком (лямбда-зондом), чувствительным к содержанию кислорода в составе смеси. Он же, регулируя своим сигналом дозировку топлива, поддерживает оптимальный состав смеси.

Однако, даже при правильной эксплуатации автомобильный катализатор со временем забивается нагаром и превращается в "кирпич" в выхлопной системе, который необходимо удалить. В НПП ТОПАС как раз занимаются этой проблемой. Здесь создан новый катализатор комплексной очистки отработавших автомобильных газов (рис.1). Он разработан на основе технологии плазменного напыления. Его существенным преимуществом является пониженное (в 10–20 раз) содержание ценных металлов, и при этом сохраняется высокая степень очистки вредных веществ: CO – 80–90%, NO3 – 70–80%, СnНm – 70–80 %.

В качестве активного элемента применяется керамическое композиционное покрытие пористостью 5%, нанесенное на металлическую основу. Это покрытие получено плазменным сверхзвуковым напылением в одну стадию. Каталитический материал может быть использован для создания блочных катализаторов, обеспечивающих снижение токсичности отработавших газов как бензиновых, так и дизельных двигателей. Универсальность технологии плазменного напыления позволяет изготавливать блочные катализаторы любой формы, размеров и назначения. Научной основой этой разработки явилась новая в теории катализа концепция, сложившаяся в ходе исследований кинетических особенностей реакций каталитического горения в условиях интенсификации мелкомасштабного турбулентного массопереноса. Она позволила с новых позиций рассмотреть природу аномально высокой конверсии отходящих автомобильных газов. При этом определилась задача поиска таких приемов, которые бы обеспечили турбулизацию погранслоя у поверхности катализатора и увеличили время контакта частиц газа с этой поверхностью.

Особенности построения и работы катализатора ТОПАС.
Целью данной работы было создание дешевого, эффективного и доступного каталитического нейтрализатора комплексной очистки отходящих газов бензиновых двигателей внутреннего сгорания. Постановка задач вытекала из требований к таким нейтрализаторам. Это обеспечение высокой эффективности очистки от вредных примесей в широком диапазоне состава отходящих газов (с недостатком и избытком кислорода) при рабочих температурах в пределах 300–600 °С с перегревом до 1000 °С без ухудшения стабильности работы в течение всего периода службы, а также высокие ресурсы, механическая прочность и низкое аэродинамическое сопротивление. Кроме того, необходимо было получить высокую избирательность по целевому продукту с удовлетворением противоречивых требований – в одном устройстве эффективно осуществить восстановление NOc и окисление СО и СnНm. Особенности процесса каталитической очистки отходящих автомобильных газов главным образом обусловлены невысокими концентрациями удаляемых примесей и, как следствие, малой степенью покрытия поверхности катализатора указанными примесями. Отсутствие конкуренции за поверхность (примеси свободно контактируют с поверхностью) обеспечивает сравнительную легкость перехода этих процессов во внешнедиффузионный или даже гетерогенно – гомогенный режим. С уменьшением концентрации реагирующих веществ возрастает роль макрокинетических факторов, связанных с внешним и внутренним переносом реагирующих веществ к активной поверхности контакта. В предельном случае можно считать, что каждая частица вредной примеси, подводимая к поверхности, немедленно реагирует, а скорость реакции определяется только количеством реагирующего газа. Это позволяет на порядок снизить содержание драгоценных металлов и реализовать высокие нагрузки на катализатор, что особенно важно при необходимости очистки больших объемов газов, например при установке на автомобили с мощным двигателем. Сегодня цена катализатора для него равна стоимости маленького автомобиля.

В нейтрализаторе ТОПАС реализовано течение отходящих газов в канале сложной формы с чередованием сужений, расширений и преград. Здесь формируются отрывные режимы течения, возбуждаются периодические колебания давления с целью активного влияния на массоперенос и усиление внешней (в пограничном слое) и внутренней (в приповерхностных порах) диффузии. Мелкомасштабное турбулентное перемешивание влечет за собой более интенсивный перенос вещества у поверхности. В основной массе турбулентного потока благодаря сильному перемешиванию концентрации быстро выравниваются. Но вблизи самой поверхности остается тонкий вязкий слой, где турбулентные пульсации сглаживаются и преобладает молекулярный перенос массы. Суммарный коэффициент массообмена ( можно выразить в виде 1/b = 1/a + d/D,
где a – коэффициент турбулентного массообмена,
d – толщина пограничного слоя,
D – коэффициент молекулярной диффузии.


Видимая или суммарная константа скорости реакции (k') выражается следующим образом:
1/k' = 1/k +1/b,
где k – константа скорости химической реакции.


Второй важной особенностью катализатора ТОПАС является проведение процесса очистки в сорбционно-каталитическом режиме. Условия работы катализаторов нейтрализации автомобильных выбросов связаны с нестационарными параметрами газового потока – состав, расход и температура изменяются в широком диапазоне. Для достижения высокой активности в более широких пределах изменения соотношения окислительных к восстановительным компонентам газа в состав катализатора вводится компонент, аккумулирующий кислород. Этот компонент способен запасать и хранить кислород в переходных окислительных условиях и освобождать его на окислительные реакции в восстановительной среде. Высокую способность к накоплению кислорода в сочетании с термической стабильностью и механической прочностью обеспечивает сложная оксидная композиция 5Y2O3–10CeO2–85ZrO2, модифицированная медью. Таким образом решается проблема обезвреживания автомобильных выбросов в условиях высокой концентрации СО, отсутствия кислорода и низких температур, т. е. при запуске двигателя из холодного состояния.

Свойства гетерогенных катализаторов определяются не только химическим составом, но и особенностями структуры, обусловленными способом приготовления. В традиционных процессах наилучшие результаты получены при распылительной сушке, когда раствор солей металлов распыляется форсунками и в виде аэрозоля подается в нагретую до высокой температуры камеру. Дальнейшая интенсификация процесса распылительной сушки при уменьшении габаритов технологического оборудования достигнута за счет использования в качестве теплоносителя электродуговой плазмы. Высокая удельная энтальпия плазмы позволяет совмещать в одну стадию порошковое распыление носителя g-фазы Al2O3 и термическое разложение растворов солей с реализацией плазмохимических превращений (рис. 2).

Рис. 2 Схема процесса получения катализатора ТОПАС.


Процесс напыления представляет собой нагрев до температуры плавления и разгон частиц Al2O3 с осаждением их в виде покрытия на основе. Процесс термического разложения можно условно разделить на три стадии: нагревание капель раствора до температуры кипения, упаривание раствора при температуре кипения, нагревание солевого остатка до температуры реакции и его термическое разложение. С помощью термодинамических и кинетических расчетов найдены оптимальные условия формирования химического фазового состава и структуры соединения активных элементов на пористом покрытии носителя (напыленного покрытия Al2O3). Расчеты проводились в интервале температур 300–60000 °К и давлении 104–107 Па применительно к катализаторам, содержащим оксиды никеля, циркония, меди, цинка, алюминия, железа, кобальта, марганца и другие в различных сочетаниях и соотношениях. Расчеты показали, что в качестве сырья предпочтительно использовать нитраты, не образующие каталитические яды и характеризующиеся большей растворимостью. Температурная область совместного существования оксидов зависит от состава и давления смеси. Процесс целесообразно проводить при атмосферном давлении. Удельные энергозатраты в исследованной области изменяются в пределах 2,8–16,6 МДж/кг оксидов. Добавлением к плазмообразующему газу метана можно синтезировать частично восстановленные катализаторы. При таких условиях энергозатраты составят 3–9 МДж/кг.


Кинетические особенности совместного нагревания частиц керамики и капель растворов изучены на математической модели. Она учитывает реальное распределение по размерам частиц и их взаимное влияние. Продолжительность нагрева капель раствора разного диаметра до кипения сильно отличается. Так, капли диаметром d = 7 мкм нагреваются до кипения за время 2Ч10-5 сек, а при d = 50 мкм за 6Ч10-4 сек, т.е. в 30 раз медленнее. Примерно такая же длительность нагревания солевого остатка до температуры начала термического разложения. Суммарное время процессов испарения капель из холодного состояния и нагревания солевого остатка до температуры термического разложения для потока в целом составляет примерно 5Ч10-3 сек. Это время может быть уменьшено наполовину при вдуве в плазменную струю предварительно нагретого раствора. Таким образом, при скорости плазмы 500 м/сек на дистанции ~ 10 см произойдет термическое разложение солевого раствора. На этой же дистанции частицы керамики размером до 100 мкм расплавятся, и остаток пути до напыляемой основы ~ 15 см будут лететь в плотном тумане продуктов разложения солей в виде пара и ультрадисперсных частиц. Вследствие значительного скольжения крупных частиц керамики (средний размер 100 мкм) относительно ультрадисперсных частиц продуктов разложения солей (средний размер 1 мкм) поверхность первых в полете до основы благодаря коагуляции1 оказывается покрытой тончайшим слоем сложных оксидов, которые несут каталитические свойства. Покрытие, как продукт плазмохимических реакций, является одновременно носителем и катализатором. Удельная поверхность покрытия определяется кристаллической модификацией Al2O3. Со снижением температуры ведения процесса возрастает содержание g-фазы Al2O3 и соответственно возрастает удельная поверхность, достигая 100 м2/г.

Катализатор сетчатого типа с двухслойным композиционным покрытием.
Основной задачей разработки каталитического нейтрализатора было 3–5-кратное повышение скорости подвода реагирующих веществ к внешней поверхности катализатора для смещения процесса в область внешней диффузии и получения наибольшей производительности. Сопутствующая ей задача – это разработка новых каталитических композиций и нетрадиционных способов закрепления активных компонентов на металлическом носителе. Нами разработан каталитический нейтрализатор сетчатого типа с двухслойным покрытием на сетке из малоуглеродистой стали. В качестве подслоя и как компонент носителя катализатора принят жаростойкий сплав на основе Ni–Cr–Y. Он предназначен для работы при температуре до 1200 °С. Покрытие из Ni–Cr–Y проволоки наносится на сетку методом сверхзвуковой электродуговой металлизации. Его назначение – защита материала сетки, придание необходимой шероховатости для закрепления на сетке керамического покрытия. Прочность сцепления Ni–Cr–Y покрытия с основой составляет 60 МПа, кинетика высокотемпературного окисления составляет 2 г/м2 за 6 часов при 1000 °С. Каталитически активное покрытие формируется на Ni–Cr–Y подслое методом сверхзвукового плазменного напыления в среде плазмы продуктов сгорания воздуха с метаном. Основу керамического носителя составляет оксид алюминия, содержащий около 60 % гамма-фазы. Удельная поверхность носителя катализатора составляет 100 м /г. Композиционное покрытие на сетке (рис. 3) удовлетворяет всем требованиям к катализатору: механически прочно, не изменяет химического и фазового состава при нагреве до 1200 °С, практически не чувствительно к термоциклам – выдерживает без изменений десятки тысяч циклов нагрева до 1200 °С и охлаждения водой. Имеет развитую поверхность и пористую структуру с основной массой рабочих пор диаметром 10–50 мкм. Разработана промышленная технология получения сетчатого катализатора комплексной очистки выхлопных автомобильных газов от СО, углеводородов и оксидов азота на керамическом вторичном носителе.

Основу керамического вторичного носителя составляет оксид алюминия, содержащий около 80% g-фазы. Наиболее подходящим для этого по всем показателям в качестве исходного материала оказался глинозем марки Г-00 Николаевского глинозёмного завода.

Испытания катализатора, выполненные в Украинском транспортном университете, подтвердили высокую эффективность очистки отработавших газов от вредных веществ – CO, CnHm, NOc. По предварительным оценкам такой катализатор будет эффективно работать и в старых автомобилях в условиях нестабильной работы карбюратора. Именно они являются основными загрязнителями среды.

Т.о., разработанные каталитические устройства, несомненно, имеют ряд существенных преимуществ по сравнению с традиционными. А именно: сокращение (в десятки раз) объемов ценных металлов, повышенная стабильность каталитического компонента при штатных режимах работы катализатора, устойчивость в условиях ударных и вибрационных нагрузок, дешевизна, простота и экономичность массового изготовления катализаторов вследствие возможности перевода всего процесса на непрерывную автоматизированную поточную схему.

Благодаря использованию сетчатого носителя с каталитическим покрытием разработана новая концепция нейтрализатора выхлопных автомобильных газов комплексной очистки. Она основана на интенсификации микротурбулентности потока отходящих газов на рельефе каталитического покрытия и увеличении времени контакта частиц газа с поверхностью. Сочетание оксидных плазмохимических каталитических покрытий с формируемой в них структурой мелкомасштабной турбулентности обеспечивают снижение (более чем на порядок) потребность в благородных металлах и уменьшает в 2–3 раза аэродинамическое сопротивление. Технология производства таких катализаторов укладывается в автоматизированную поточную схему (рис. 4). Обеспечивается дешевизна, простота и экономичность массового производства. Себестоимость катализатора примерно в 5 раз меньше существующих аналогов и составляет 40 $ США при той же эффективности очистки и тех же сроках эксплуатации.

[Павло]

Кратко и доступно.

[Oy]

даже читать не стал