Arrow
Arrow
PlayPause
Slider

Τα παρακάτω κείμενα είναι από την wikipedia:

Καταλυτικός μετατροπέας

DodgeCatConΟ καταλυτικός μετατροπέας ή καταλύτης αυτοκινήτων (catalytic converter) είναι συσκευή ελέγχου εκπομπών που μετατρέπει τοξικά αέρια και ρύπους στα καυσαέρια σε λιγότερο τοξικούς ρύπους καταλύοντας μια οξειδοαναγωγική χημική αντίδραση. Οι καταλυτικοί μετατροπείς χρησιμοποιούνται με μηχανές εσωτερικής καύσης που τροφοδοτούνται είτε από βενζίνη ή καύσιμο ντίζελ—συμπεριλαμβάνοντας τις μηχανές πτωχής καύσης (lean-burn engines) καθώς και θερμαντήρες κηροζίνης και θερμάστρες.

Η πρώτη γενικευμένη εισαγωγή καταλυτικών μετατροπέων έγινε στις ΗΠΑ. Για να γίνουν συμβατά με τους πιο αυστηρούς κανονισμούς της Υπηρεσίας Περιβαλλοντικής Προστασίας των ΗΠΑ η εκπομπή καυσαερίων των περισσότερων οχημάτων που τροφοδοτούνται με βενζίνη έπρεπε από το 1975 ως πρώτο έτος παραγωγής να είναι εφοδιασμένα με καταλυτικούς μετατροπείς Αυτοί οι "διοδικοί" μετατροπείς συνδύαζαν οξυγόνο με μονοξείδιο του άνθρακα (CO) και άκαυστους υδρογονάνθρακες (HC) για να παράξουν διοξείδιο του άνθρακα (CO2) και νερό (H2O). Το 1981, οι διοδικοί καταλυτικοί μετατροπείς καταργήθηκαν από τους "τριοδικούς" μετατροπείς που μειώνουν επίσης τα οξείδια του αζώτου (NOx)· όμως, οι διοδικοί μετατροπείς χρησιμοποιούνται ακόμα για μηχανές πτωχής καύσης. Αυτό συμβαίνει επειδή οι τριοδικοί μετατροπείς απαιτούν, είτε πλούσια, είτε στοιχειομετρική καύση για να μειώσουν επιτυχώς τα NOx.

Αν και οι καταλυτικοί μετατροπείς εφαρμόζονται συνήθως σε συστήματα εξάτμισης (exhaust systems) σε αυτοκίνητα, χρησιμοποιούνται επίσης σε ηλεκτρικές γεννήτριες, περονοφόρους ανυψωτές, εξοπλισμό ορυχείων, φορτηγά, λεωφορεία, μηχανές τρένου (locomotives) και μοτοσικλέτες. Χρησιμοποιούνται, επίσης, σε κάποιες ξύλινες θερμάστρες για να ελέγξουν τις εκπομπές. Αυτό συμβαίνει συνήθως ως απόκριση σε κυβερνητικούς κανονισμούς, είτε μέσω άμεσων περιβαλλοντικών κανονισμών, είτε μέσω κανονισμών υγείας και ασφάλειας.

Ιστορικό

Ο καταλυτικός μετατροπέας επινοήθηκε από τον Eugene Houdry, έναν Γάλλο μηχανικό και ειδικό στην καταλυτική αναμόρφωση του πετρελαίου, που μετακόμισε στις ΗΠΑ το 1930. Όταν δημοσιεύτηκαν τα αποτελέσματα των πρώτων μελετών της αιθαλομίχλης στο Λος Άντζελες, ο Houdry προβληματίστηκε για τον ρόλο των καυσαερίων των καπνοδόχων και των αυτοκινήτων στη μόλυνση του αέρα και ίδρυσε μια εταιρία την Oxy-Catalyst. Ο Houdry ανέπτυξε πρώτα καταλυτικούς μετατροπείς για τις καπνοδόχους και αργότερα καταλυτικούς μετατροπείς για τους περονοφόρους ανυψωτές αποθηκών που χρησιμοποιούν χαμηλής ποιότητας αμόλυβδη βενζίνη. Στα μέσα της δεκαετίας του 1950, άρχισε την έρευνα για να αναπτύξει καταλυτικούς μετατροπείς για μηχανές βενζίνης που χρησιμοποιούνται σε αυτοκίνητα. Του αποδόθηκε μια ευρεσιτεχνία από τις ΗΠΑ 2,742,437 για την εργασία του.

Πλατιά υιοθέτηση των καταλυτικών μετατροπέων δεν συνέβη μέχρι την εφαρμογή πιο αυστηρών κανονισμών ελέγχου των εκπομπών που οδήγησε στην αφαίρεση του αντικροτικού μέσου (anti-knock agent) τετραιθυλιούχου μολύβδου από τους περισσότερους τύπους βενζίνης. Ο μόλυβδος είναι ένα "δηλητήριο καταλύτη" και στην πραγματικότητα απενεργοποιεί τον καταλυτικό μετατροπέα σχηματίζοντας μια επίστρωση στην επιφάνεια του καταλύτη.

Οι καταλυτικοί μετατροπείς αναπτύχθηκαν παραπέρα από μια σειρά από μηχανικούς όπως οι John J. Mooney, Carl D. Keith, Antonio Eleazar στην Engelhard Corporation, δημιουργώντας τον πρώτο καταλυτικό μετατροπέα το 1973.

Ο William C. Pfefferle ανέπτυξε έναν καταλυτικό καυστήρα για αεριοστρόβιλους στις αρχές τις δεκαετίας του 1970, επιτρέποντας καύση χωρίς σημαντικό σχηματισμό οξειδίων του αζώτου και μονοξειδίου του άνθρακα.

Κατασκευή

Η κατασκευή καταλυτικού μετατροπέα έχει ως εξής:

Aufgeschnittener Metall Katalysator für ein AutoΗ βάση καταλύτη (catalyst support) ή υπόστρωμα. Για καταλυτικούς μετατροπείς αυτοκινήτων, ο πυρήνας είναι συνήθως κεραμικός μονόλιθος με κυψελοειδή δομή. Τα μεταλλικά φύλλα μονολίθου κατασκευάζονται από κράμα Kanthal (FeCrAl) και χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές όπου απαιτείται ιδιαίτερα υψηλή θερμική αντίσταση. Και τα δυουλικά είναι σχεδιασμένα ώστε να παρέχουν μεγάλο εμβαδόν επιφάνειας. Το κεραμικό υπόστρωμα κορδιερίτη (cordierite) που χρησιμοποιείται στους περισσότερους καταλυτικούς μετατροπείς εφευρέθηκε από τους Rodney Bagley, Irwin Lachman και Ronald Lewis στο Corning Glass, για το οποίο έγιναν δεκτοί στο National Inventors Hall of Fame το 2002.

Το ενδιάμεσο στρώμα (washcoat). Το ενδιάμεσο στρώμα είναι φορέας για τα καταλυτικά υλικά και χρησιμοποιείται για να διασπείρει τα υλικά σε μεγάλο εμβαδόν επιφάνειας. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί οξείδιο του αργιλίου, διοξείδιο του τιτανίου, διοξείδιο του πυριτίου, ή μείγμα από διοξείδιο του πυριτίου και οξείδιο του αργιλίου. Τα καταλυτικά υλικά μπαίνουν στο ενδιάμεσο στρώμα πριν να εφαρμοστούν στον πυρήνα. Τα υλικά του ενδιάμεσου στρώματος επιλέγονται ώστε να σχηματίσουν μια τραχιά, ακανόνιστη επιφάνεια, που αυξάνει πολύ το εμβαδόν της επιφάνειας συγκρινόμενη με την ομαλή επιφάνεια του γυμνού υποστρώματος. Αυτό με τη σειρά του μεγιστοποιεί την ενεργή καταλυτική επιφάνεια που διατίθεται για να αντιδράσει με τα εξαγόμενα προϊόντα της μηχανής. Το στρώμα πρέπει να διατηρήσει το εμβαδόν της επιφανείας του και να αποτρέψει την επίτηξη (sintering) των καταλυτικών μεταλλικών σωματιδίων ακόμα και σε υψηλές θερμοκρασίες (1000 °C).
Οξείδιο του δημητρίου (IV) (σερία ή Ceria) ή (σερία - ζιρκονία (οξείδιο του ζιρκονίου)). Αυτά τα οξείδια προστίθενται κυρίως ως υποστηρικτές της αποθήκευσης οξυγόνου.
1280px Pot catalytique vue de la structureΟ ίδιος ο καταλύτης αποτελείται συνήθως από μείγμα πολύτιμων μετάλλων. Ο λευκόχρυσος είναι ο πιο ενεργός καταλύτης και χρησιμοποιείται πλατιά, αλλά δεν είναι κατάλληλος για όλες τις εφαρμογές λόγω ανεπιθύμητων πρόσθετων αντιδράσεων και υψηλού κόστους. Το παλλάδιο και το ρόδιο είναι δύο άλλα πολύτιμα μέταλλα που χρησιμοποιούνται. Το ρόδιο χρησιμοποιείται ως καταλύτης αναγωγής, το παλλάδιο χρησιμοποιείται ως καταλύτης οξείδωσης και ο λευκόχρυσος χρησιμοποιείται και για αναγωγή και για οξείδωση. Χρησιμοποιούνται επίσης τα: δημήτριο, σίδηρος, μαγγάνιο και νικέλιο, αν και καθένα έχει τους περιορισμούς του. Το νικέλιο δεν είναι νόμιμο στην Ευρωπαϊκή Ένωση επειδή αντιδρά με το μονοξείδιο του άνθρακα στο τοξικό τετρακαρβονυλονικέλιο (nickel tetracarbonyl). Ο χαλκός μπορεί να χρησιμοποιηθεί παντού πλην της Ιαπωνίας.
Σε περίπτωση αστοχίας, ο καταλυτικός μετατροπέας μπορεί να ανακυκλωθεί σε σκράπ. Τα πολύτιμα μέταλλα του καταλυτικού μετατροπέα που περιλαμβάνουν [[λευκόχρυσος|λευκόχρυσο], παλλάδιο και ρόδιο εξάγονται.

Τύποι

Διοδικός

Ο διοδικός (ή "οξείδωσης", που μερικές φορές ονομάζονται "oxi-cat") καταλυτικός μετατροπέας έχει δύο ταυτόχρονες εργασίες:

Οξείδωση του μονοξειδίου του άνθρακα σε διοξείδιο του άνθρακα:
2CO + O2 → 2CO2

Οξείδωση των άκαυστων υδρογονανθράκων (άκαυστο και μερικώς καμένο καύσιμο) σε διοξείδιο του άνθρακα και νερό :
CxH2x+2 + [(3x+1)/2] O2 → xCO2 + (x+1) H2O (αντίδραση καύσης) Αυτός ο τύπος καταλυτικού μετατροπέα χρησιμοποιείται πλατιά σε ντιζελοκινητήρες για να μειώσει τις εκπομπές υδρογονανθράκων και μονοξειδίου του άνθρακα. Χρησιμοποιήθηκαν επίσης σε κινητήρες βενζίνης σε αυτοκίνητα στις ΗΠΑ και τον Καναδά μέχρι το 1981. Λόγω της ανικανότητάς τους να ελέγξουν τα οξείδια του αζώτου (NOx), καταργήθηκαν από τριοδικούς μετατροπείς.


Τριοδικός

Οι τριοδικοί καταλυτικοί μετατροπείς (TWC) έχουν το πρόσθετο πλεονέκτημα ελέγχου της εκπομπής του μονοξειδίου του αζώτου και του διοξειδίου του αζώτου (που μαζί γράφονται ως NOx -και δεν πρέπει να συγχέονται με το υποξείδιο του αζώτου)- και είναι πρόδρομες ενώσεις για την όξινη βροχή και την αιθαλομίχλη.

Από το 1981, οι "τριοδικοί" (οξείδωση-αναγωγή) καταλυτικοί μετατροπείς χρησιμοποιούνται σε συστήματα ελέγχου εκπομπών οχημάτων στις ΗΠΑ και τον Καναδά· πολλές άλλες χώρες υιοθέτησαν επίσης αυστηρούς κανονισμούς εκπομπών οχημάτων που στην πραγματικότητα απαιτούν τριοδικούς μετατροπείς σε βενζινοκίνητα οχήματα. Οι καταλύτες αναγωγής και οξείδωσης περιέχονται συνήθως σε κοινό περίβλημα· όμως, σε κάποιες περιπτώσεις, μπορεί να έχουν ξεχωριστά περιβλήματα. Ένας τριοδικός καταλυτικός μετατροπές κάνει ταυτόχρονα τρεις αντιδράσεις:

Αναγωγή των οξειδίων του αζώτου σε άζωτο και οξυγόνο: 2NOx → xO2 + N2
Οξείδωση του μονοξειδίου του άνθρακα σε διοξείδιο του άνθρακα: 2CO + O2 → 2CO2
Οξείδωση των άκαυστων υδρογονανθράκων (HC) σε διοξείδιο του άνθρακα και νερό: CxH2x+2 + [(3x+1)/2]O2 → xCO2 + (x+1)H2O.
Αυτές οι τρεις αντιδράσεις συμβαίνουν πιο αποτελεσματικά όταν ο καταλυτικός μετατροπέας δέχεται τα εξερχόμενα προϊόντα από μια μηχανή που κινείται ελαφρώς πάνω από το στοιχειομετρικό σημείο. Για την καύση της βενζίνης, η αναλογία είναι μεταξύ 14,6 και 14,8 μέρη αέρα ανά ένα μέρος καυσίμου, κατά βάρος. Ο λόγος για καύσιμα υγραερίου (ή υγροποιημένο αέριο πετρελαίου (Autogas ή liquefied petroleum gas ή LPG)), φυσικού αερίου και αιθανόλης είναι ελαφρώς διαφορετική για το καθένα και απαιτεί τροποποιημένες ρυθμίσεις του συστήματος καυσίμου κατά τη χρήση αυτών των καυσίμων. Γενικά, οι μηχανές με προσαρμοσμένους τριοδικούς καταλυτικούς μετατροπείς εφοδιάζονται με υπολογιστική επανατροφοδότηση κλειστού κυκλώματος του συστήματος έγχυσης καυσίμου χρησιμοποιώντας έναν ή περισσότερους αισθητήρες οξυγόνου, αν και στην αρχή της ανάπτυξης των τριοδικών μετατροπέων, χρησιμοποιήθηκαν επίσης εξαερωτήρες εφοδιασμένοι με έλεγχο μείγματος επανατροφοδότησης.

ΟΙ τριοδικοί μετατροπείς είναι αποτελεσματικοί όταν η μηχανή λειτουργεί σε στενή ζώνη λόγων αέρα-καυσίμου κοντά στο στοιχειομετρικό σημείο, όπως αυτό που η σύσταση των καυσαερίων κυμαίνεται μεταξύ πλούσιου (περίσσεια καυσίμου) και φτωχού (περίσσεια οξυγόνου) μείγματος. Η αποτελεσματικότητα της μετατροπής πέφτει πολύ γρήγορα όταν η μηχανή δουλεύει εκτός αυτής της ζώνης. Στη φτωχή λειτουργία κινητήρα, τα καυσαέρια περιέχουν περίσσεια οξυγόνου και η αναγωγή του NOx δεν ευνοείται. Σε πλούσια λειτουργία κινητήρα, η περίσσεια του καυσίμου καταναλώνει όλο το διαθέσιμο οξυγόνο πριν τον καταλύτη, αφήνοντας μόνο το αποθηκευμένο οξυγόνο στον καταλύτη διαθέσιμο για τη λειτουργία της οξείδωσης.

Τα συστήματα ελέγχου μηχανής κλειστού κυκλώματος είναι απαραίτητα για την αποτελεσματική λειτουργία των τριοδικών καταλυτικών μετατροπέων, επειδή απαιτείται συνεχής εξισορρόπηση για αποτελεσματική αναγωγή του NOx και οξείδωση των HC. Το σύστημα ελέγχου πρέπει να αποτρέπει τον αναγωγικό καταλύτη των NOx από την πλήρη οξείδωση, όμως παράλληλα πρέπει να ανανεώνει το αποθηκευμένο οξυγόνο έτσι ώστε να διατηρείται η λειτουργία του ως οξειδωτικού καταλύτη.

Οι τριοδικοί καταλυτικοί μετατροπείς μπορούν να αποθηκεύσουν οξυγόνο από τη ροή των καυσαερίων, συνήθως όταν ο λόγος αέρα-καυσίμου (air–fuel ratio) γίνεται φτωχός.[18] Όταν δεν υπάρχει διαθέσιμο επαρκές οξυγόνο από τη ροή εξόδου, απελευθερώνεται και καταναλώνεται το αποθηκευμένο οξυγόνο. Η έλλειψη επαρκούς οξυγόνου συμβαίνει είτε όταν το παραγόμενο οξυγόνο από την αναγωγή των NOx δεν είναι διαθέσιμο ή όταν συγκεκριμένοι ελιγμοί όπως έντονη επιτάχυνση εμπλουτίζουν το μείγμα πέρα από την ικανότητά του μετατροπέα να δώσει οξυγόνο.


Ανεπιθύμητες αντιδράσεις

Ανεπιθύμητες αντιδράσεις μπορούν να συμβούν στον τριοδικό καταλύτη, όπως ο σχηματισμός δύσοσμου υδροθείου και αμμωνία. Ο σχηματισμός καθενός προϊόντος μπορεί να περιοριστεί με τροποποιήσεις στο ενδιάμεσο στρώμα και τα χρησιμοποιούμενα πολύτιμα μέταλλα. Είναι δύσκολη η πλήρης εξάλειψη αυτών των παραπροϊόντων. Καύσιμα χωρίς θείο ή με χαμηλό θείο εξαλείφουν ή μειώνουν το υδρόθειο.

Παραδείγματος χάρη, όταν επιθυμείται έλεγχος των εκπομπών υδροθείου, προστίθεται νικέλιο ή μαγγάνιο στο ενδιάμεσο στρώμα. Και οι δυο ουσίες δρουν εμποδίζοντας την προσρόφηση του θείου στο ενδιάμεσο στρώμα. Το υδρόθειο σχηματίζεται όταν το ενδιάμεσο στρώμα έχει απορροφήσει θείο κατά τη διάρκεια της χαμηλής θερμοκρασίας του λειτουργικού κύκλου, που στη συνέχεια απελευθερώνεται κατά την υψηλή θερμοκρασία του κύκλου και το θείο συνδυάζεται με HC.


Περιβαλλοντικές επιπτώσεις


Οι καταλυτικοί μετατροπείς έχουν αποδειχθεί να είναι αξιόπιστοι και αποτελεσματικοί στη μείωση των επιβλαβών εκπομπών της εξάτμισης. Όμως, έχουν επίσης κάποια μειονεκτήματα στη χρήση καθώς και αρνητικές περιβαλλοντικές επιπτώσεις στην παραγωγή:

Μια μηχανή εφοδιασμένη με τριοδικό καταλύτη πρέπει να λειτουργεί στο στοιχειομετρικό σημείο (stoichiometric point), που σημαίνει ότι καταναλώνεται περισσότερο καύσιμο από μια μηχανή πτωχής καύσης. Αυτό σημαίνει περίπου 10% περισσότερες εκπομπές CO2 από το όχημα.
Η παραγωγή του καταλυτικού μετατροπέα απαιτεί παλλάδιο ή λευκόχρυσο· μέρος της παγκόσμιας τροφοδοσίας αυτών των πολύτιμων μετάλλων παράγεται κοντά στο Norilsk της Ρωσίας, όπου η βιομηχανία (μεταξύ άλλων) προκαλεί σημαντική ρύπανση.