1. WSTĘP TEORETYCZNY

Kataliza to zjawisko przyspieszenia szybkości reakcji chemicznej pod wpływem dodania do układu niewielkiej ilości katalizatora, który sam nie ulega trwałym przekształceniom, lecz tylko tworzy z innymi substratami związki lub kompleksy przejściowe.
Rozróżnia się katalizę homogeniczną(zachodzi w fazie gazowej) heterogeniczną(zachodzi na granicy fazy stałej i gazowej).

Urządzeniem technicznym, w którym zachodzi kataliza, jest reaktor katalityczny, zwany potocznie katalizatorem. Właściwy katalizator (substancja czynna) naniesiony jest bezpośrednio na nośnik lub na warstwę pośrednią, która pokrywa nośnik.

Stosuje się dwa podstawowe typy nośników katalizatorów:

• ceramiczne

• metaliczne

Najbardziej rozpowszechnione są katalizatory na nośnikach ceramicznych(glinkowe i tytanowe). Do największych zalet tych nośników możemy zaliczyć: dużą powierzchnię właściwą, odporność na korozję, dużą adhezję substancji czynnej, wysoką temperaturę topnienia i łatwość kształtowania. Nośniki ceramiczne formuje się do postaci granulek lub monolitów(np. typu komórkowego)

Cechami charakterystycznymi nośników metalicznych są odporność na miejscowe przegrzania, duża wytrzymałość mechaniczna i niewielki ciężar nasypowy. Nośniki metaliczne są najczęściej wykonywane w postaci stalowych taśm, drutów, siatek.

Katalizator to substancja, której obecność w układzie wywołuje zwiększenie szybkości reakcji w obu kierunkach oraz skraca czas potrzebny na osiągnięcie stanu równowagi, przy czym sam katalizator pozornie nie jest w tych reakcjach reagentem – jego ilość przed i po reakcji nie ulega zmianie.

Zmianie nie ulegają zaś entalpia reakcji oraz stała równowagi(od której zależy końcowy stopień reakcji). Reakcja katalizowana przebiega łatwiejszą drogą, z niższą barierą energetyczną.

Katalizatory znalazły zastosowania w procesach spalania niskokalorycznych gazów odpadowych,
w domowych urządzeniach grzewczych, turbinach gazowych, a także w technikach oczyszczania

spalin.

Do ograniczania emisji NOx, CO i CH z tłokowych silników spalinowych z zapłonem iskrowym

stosuje się trójfunkcyjne katalizatory TWC (ang. three-way catalysts – kataliza trójdrogowa).

Działanie katalizatora TWC jest redukcyjno-utleniające:

- redukcja NOx: 2NO + 2CO = N₂ + 2CO₂

- utlenianie CO: 2CO + O₂ = 2CO₂,

-utlenianie O_2: 2C₂H₆ + 7O₂ = 4CO₂ + 6H₂O

Katalizator taki ma dużą skuteczność konwersji NOx, CO i HC jeżeli spalana jest mieszanka
o składzie w przybliżeniu stechiometrycznym. Skład mieszanki palnej bliski stechiometrycznemu
( = 0,99 0,5%) zapewnia układ automatycznego zasilania powietrzem silnika z zastosowaniem
z sondy lambda. Sonda lambda jest czujnikiem mierzącym zawartość tlenu w spalinach, umieszczanym w układzie wydechowym silnika spalinowego. Pozwala na precyzyjne dozowanie składu mieszanki paliwowo-powietrznej.

1. SCHEMAT STANOWISKA PRACY

1. silnik spalinowy

2. katalizator

3. zawory

4.wlot strumienia powietrza dopalającego

5. zmienne obciążenie elektryczne

6. termometr

7. analizator próbki gazu

1. TABELA MIERZONYCH WARTOŚCI

Lp.	P	qpow	O2 pocz.	COpocz.	NOpocz.	Tpocz.	O2 końc.	COkońc.	NOkońc.	Tkońc.
	W	$$\frac{\mathbf{l}}{\mathbf{h}}$$	%	ppm	ppm	^oC	%	ppm	ppm	^oC
1	0	0	0,86	40220	48	355	0,48	42360	0	322
2	0	400	1,95	40500	0	390	0,44	15720	0	390
3	0	800	3,40	36880	14	429	1,68	1330	29	460
4	0	1200	4,36	31110	3	431	3,0	1230	94	465
5	0	1600	5,62	29450	13	427	4,57	760	117	460
6	600	0	0,49	38780	0	407	0,15	39060	0	389
7	600	400	1,51	39900	0	429	0,11	17290	0	444
8	600	800	2,37	38810	19	467	0,5	2360	17	504
9	600	1200	3,23	36080	12	475	1,96	1560	5	512
10	600	1600	3,95	33450	6	466	3,11	1110	36	504

1. PRZYKŁADOWE OBLICZENIA

• Wyznaczenie współczynnika nadmiaru powietrza λ
  $\lambda = \frac{21}{21 - O_{2}} = \frac{21}{21 - 1,95} =$ 1,10236 ≈ 1,1

• Przeliczenie poziomu CO na odniesiony do referencyjnej zawartości tlenu O2 = 3%

${\text{CO}_{\text{przed}}^{3\%\ }}^{0} = \text{CO} \bullet \frac{21 - 3}{21 - O_{2}} = \ 40500 \bullet \frac{21 - 3}{21 - 1,95} =$ 38267,72 ppm

${\text{CO}_{\text{ko}nc}^{3\%\ }}^{0} = \text{CO} \bullet \frac{21 - 3}{21 - O_{2}} = \ 15720 \bullet \frac{21 - 3}{21 - 0,44} =$ 13762,65 ppm

• Wyznaczenie skuteczności dopalania zanieczyszczeń

$S_{\text{CO}} = 1 - \frac{\text{CO}_{\text{za}}^{3\%}}{\text{CO}_{\text{przed}}^{3\%}} = 1 - \frac{13762,65}{38267,72} = 0,6404$≈0,64

1. TABELA WYNIKOWA

Lp.	λ p	CO^3% p	CO^3% z	Sco
	-	ppm	ppm	-
1	1,0	35946,38	37157,89	-0,0337
2	1,1	38267,72	13762,65	0,6404
3	1,2	37718,18	1239,13	0,9671
4	1,3	33652,64	1230,00	0,9635
5	1,4	34466,84	832,62	0,9758
6	1,0	34034,13	33720,86	0,0092
7	1,1	36849,67	14898,04	0,5957
8	1,1	37497,58	2072,20	0,9447
9	1,2	36546,99	1474,79	0,9596
10	1,2	35313,78	1116,83	0,9684

6. WYKRESY

Rys. 2 Zależność skuteczności dopalania CO (Sco) od ilości powietrza dopalającego (qpow)

Rys. 3 zależność skuteczności dopalania CO (Sco) od funkcji współczynnika nadmiaru powietrza (λ)

Rys. 4 zależność temperatury katalizatora w funkcji ilości powietrza dopalającego

7. WNIOSKI

Celem naszego ćwiczenia było zapoznanie się ze zjawiskiem katalizy, obserwacja działania katalizatora spalin oraz pomiar skuteczności dopalania zanieczyszczeń (tlenku węgla).

Po dodaniu obciążenia zawartość tlenku węgla w spalinach początkowo jest mniejsza niż w przypadku nieobciążonego silnika, jednak przy zwiększającym się strumieniu powietrza dopalającego sytuacja ulega zmianie.

W przypadku nieobciążonego i obciążonego silnika skuteczność dopalania CO wzrasta wraz ze zwiększeniem się strumienia powietrza dopalającego. Jednak po przekroczeniu pewnej wartości strumienia skuteczność spalania spada(ok. 1200 l/h)

Skuteczność odpylania CO w nieobciążonym silniku jest najwyższa w przedziale λ=(1,20;1,25) i wynosi prawie 100%. Skuteczność odpylania CO w obciążonym silniku(800W) osiąga maksimum(prawie 100%) przy λ=1,15. Można zauważyć, że skuteczność odpylania przy obciążonym silniku osiąga maksimum przy mniejszej wartości współczynnika nadmiaru powietrza.

Wraz ze wzrostem ilości dostarczanego strumienia powietrza wzrasta też temperatura(jest to wywołane dodatkową ilością tlenu). Początkowo temperatura przed katalizatorem jest wyższa od temperatury za katalizatorem. Jednak przy zwiększaniu strumienia powietrza dopalającego sytuacja ulega zmianie i temperatura za katalizatorem jest wyższa od tej przed. W przypadku silnika nieobciążonego dzieje się tak przy temperaturze 360^oC i q_pow=400l/h, w przypadku silnika obciążonego: T=420^oC i q_pow=200l/h.