Podstawy teoretyczne

Katalizatory powstały z potrzeby minimalizowania zanieczyszczeń - spalin w silniku. W najprostszym i najszerszym ujęciu katalizator jest to substancja, której obecność w obserwowanej mieszaninie zwiększa wpływa na szybkość reakcji i czas potrzebny na osiągnięcie stanu równowagi. Katalizatory inaczej niż inne reagenty nie biorą czynnego udziału w reakcji chemicznej. Wynik katalizy może się zmieniać, jeżeli w reakcji biorą udział inne substancje takie jak np. inhibitory czy trucizny, które obniżają aktywność katalizatora. Inhibicja przez to może być określana negatywną katalizą, ponieważ osiągnięcie stanu równowagi w reakcji chemicznej jest opóźnione. Reakcje, w których swój udział ma katalizator mają przez to obniżoną energię aktywacji.

Najważniejsze dziedziny technik spalania, w których spotyka się katalizatory to np.: usuwanie NOx i SO2 ze spalin lub dopalanie CO i CH w spalinach. Największe zastosowanie katalizatorów jest w motoryzacji, ponieważ w każdym samochodzie czy motorze znajduję się katalizator, którego funkcją jest ograniczenie emisji NOx, tlenku węgla i wodorotlenku. Najlepsze właściwości katalityczne posiadają platynowce, dopiero w następnej kolejności są tlenki poniektórych metali, złoto itp. Innym typem katalizatorów są zeolity- grupa minerałów krystalicznych na bazie tlenków mająca duża porowatość, przykłady naturalnych zeolitów to: chabazyt, erionit lub gmelinit. Rozróżniane są dwa typy nośników katalizatorów podzielone ze względu na rodzaj materiału z jakiego są zbudowane: metaliczne bądź ceramiczne. Warto pamiętać, że katalizator to potoczna nazwa dla urządzenia technicznego, w którym zachodzi kataliza czyli reaktora katalitycznego. Właściwy katalizator, czyli substancja katalizująca nakładany jest na reaktor bardzo cienką, kilku-kilkunasto atomową warstwą.

Najbardziej rozpowszechnione typy nośników to nośniki ceramiczne, ze względu na bardzo dużą powierzchnię właściwą czy odporność na korozję. Mają one jednak swoje wady, od których wolne są nośniki drugiego typu- metaliczne, a mianowicie są mało odporne na drgania i gwałtowne zmiany temperatur. Metaliczne nośniki zaś szybko korodują ale za to dobrze przewodzą ciepło i są wytrzymałe.

Katalizatory znalazły wiele zastosowań w technice spalania np. niskokalorycznych gazów odpadowych. Unieszkodliwiają odory oraz mają zastosowanie w spalaniu ubogich i bardzo ubogich gazów odpadowych, lub w domowych urządzeniach grzewczych opalanych gazem palnym czy w turbinach gazowych.

Schemat układu pomiarowego

Wykaz przyrządów pomiarowych

- rotametr

-termopara

-analizator spalin

-watomierz

Tabele pomiarowe

Q pow	moc	O2 przed	O2 za	CO przed	CO za	NO przed	NO za	T kat
l/h	W	%	%	ppm	ppm	ppm	ppm	C
0	200	2,61	1,50	23150	7900	128	31	559
500			1,76		1450		65	571
1000			2,50		142		107	575
1500			3,00		50		112	582
0	400	1,48	1,24	25520	23370	141	42	583
500			1,39		8710		29	590
1000			1,70		1340		82	597
1500			2,48		230		117	604
0	800	0,85	1,12	49970	47880	189	100	600
500			1,65		43090		111	607
1000			1,04		25440		58	615
1500			0,84		10840		22	622

λ	co3% przed	co3% za	Sco
	ppm	ppm	%
1,08	22659	7292	68
1,09		1357	94
1,14		138	99
1,17		50	99
1,06	23532	21288	10
1,07		7995	66
1,09		1250	95
1,13		224	99
1,06	44638	43352	3
1,08		40084	10
1,05		22942	49
1,04		9679	78

Przykłady obliczeń

$$\lambda = \frac{21}{21 - O_{2}} = \frac{21}{21 - 1,50} = 1,08$$

λ- współczynnik nadmiaru powietrza

O₂-procentowa zawartość tlenu w spalinach

$\text{CO}_{\text{przed}}^{3\%} = \text{CO}_{\text{przed}}\frac{21 - 3}{21 - O_{2}} = 23150ppm \bullet \frac{21 - 3}{21 - 2,61} =$22653ppm

$$\text{CO}_{\text{za}}^{3\%} = 7900 \bullet \frac{21 - 3}{21 - 1,50} = 7292ppm$$

$$S_{\text{CO}} = 1 - \frac{\text{CO}_{\text{za}}^{3\%}}{\text{CO}_{\text{przed}}^{3\%}} = 1 - \frac{7292ppm}{22653\ ppm} = 0,69$$

Sco-skuteczność dopalania CO

Wykresy

Uwagi i wnioski

W ćwiczeniu do wykonania były badania skuteczności dopalania zanieczyszczeń w zależności od ilości powietrza dopalającego, dodawanego do strumienia spalin przed katalizatorem w katalitycznym układzie oczyszczania spalin współpracującym z silnikiem spalinowym. Pomiary wykonywane dla trzech wartości obciążenia silnika (200W,400W,800W) zostały przedstawione w tzw. „formie suchej”. Na podstawie otrzymanych pomiarów została obliczona skuteczność dopalania tlenku węgla w spalinach wyrażona w procentach. Na wykresach widać, że największa skuteczność w stosunku do ilości powietrza dopalającego została osiągana dla mocy 200W. Na wykresie skuteczności do współczynnika nadmiaru powietrza wyniki ujednolicają się dla 200W i 400W jednak wydają się znacznie odbiegać dla pomiarów przy obciążeniu silnika 800W, może to być problem z pracą silnika przy takiej mocy, jednak ciężko jest to stwierdzić bez analizy organoleptycznej doświadczenia. Ostatni wykres temperaturowy pokazuje, że temperatura wzrastała liniowo dla każdej z mocy wraz z większą ilością powietrza oraz zwiększała się wraz z mocą silnika.