موضوع تحقیق:
کاتالیست کانورتور اگزوز ( مبدلهای کاتالیستی )
فهرست مطالب:
* مقدمه
* ساختار مبدل های کاتالیزوری
* پایه کاتالیستها
* پایه کاتالیستهای سرامیکی لانه زنبوری (منولیتی(
* پایه منولیتی فلزی
* پوشش لایه میانی (wash – coat)
* تلقیح لایه مواد کاتالیستی
* محافظ فلزی (کنینگ(
* سپرهای حرارتی
* محافظ منولیت (Mat) و توری فلزی
چکیده:
اثرات مخرب ناشی از آلودگی هوا در شهر های بزرگ صنعتی بر کسی پوشیده نیست ، بطور متوسط 71% این آلودگی ها از احتراق وسایط نقلیه موتوری ایجاد می گردد . این گازها شامل هیدروکربنهای سوخته نشده ،کربن منواکسید و اکسیدهای نیتروژن می باشند . از نقطه نظر علمی وجود بیش از حد مجاز آلاینده ها در اتمسفر ، علاوه بر تاثیر سوءدر رفتارهای اجتماعی ، کاهش بازده کار نیروهای فعال جامعه در کوتاه مدت ، باعث به خطر افتادن سلامت و بهداشت و عارضه هایی از قبیل سر درد ، ضعف ، تهوع و عوارض عصبی ، خصوصا در بین افراد مسن وکودکان میشود .
تمایل به استفاده از مبدلهای کاتالیستی به 50 سال قبل بر می گردد ،که بمرور کاتالیستهای مختلف نظیر کاتالیست های پایه گلوله ای (دانه تسبیحی ) و پایه لانه زنبوری دو بستره ، ساخته و معایب فوق بر روی آنها رفع گردید تا اینکه پایه لانه زنبوری سه راهه تهیه شد که امروزه کاربرد فراوانی در جوامع صنعتی و نیمه صنعتی یافته است ، بطوریکه در حال حاضر صد ها شرکت سازنده این قطعه در جهان فعالیت کرده و میلیونها خودرو در سراسر جهان مجهز به مبدل کاتالیستی می باشند .
ساختار مبدل های کاتالیزوری
مبدلهای کاتالیستی از نظر کاربرد به دوگونه اند :
الف : ) مبدلهای کاتالیستی دوراهه :
مبدلهای دو بستره یا دو راهه ، به آن دسته از مبدلهای کاتالیستی اطلاق می گردد که در آنها فقط عمل اکسیداسیون انجام پذیرفته و از آلاینده های سه گانه (NOx,CO,HC )، فقط قادر به اکسیداسیون HC و CO می باشند و تبدیل NOx در آنها صورت نمی پذیرد . اصطلاحاً به این نوع مبدلها ، مبدلهای اکسیداسیونی نیز اطلاق می شود .
ب : مبدلهای کاتالیستی سه راهه یا سه منظوره :
بخاطر مشکلات موجود در سیستم مبدلهای دو راهه ، مبدلهای سه راهه (سه جانبه ) توسعه یافته اند ، بطوریکه امروزه در اکثر اتومبیلها از این روش به منظور کاهش آلودگی ناشی از گاز اگزوز استفاده میشود . اصطلاح مبدلهای سه راهه به این منظور بکار میرود که این مبدلها قادر به انجام اکسیداسیون CO , HC و احیاء NOx بطور همزمان می باشند .
بطور کلی مبدلهای کاتالیزوری خودروها از 5 قسمت اصلی زیر تشکیل شده اند :
1.
پایه کاتالیست ( substrate )
2. لایه یا پوشش میانی ) wash coat )
3. مواد کاتالیستی ( Impregnation )
4. محافظ منولیت Mat ) (
5. محافظ فلزی ( کنینگ (
پایه کاتالیستها
اگرچه در یک مبدل کاتالیزوری نقش اصلی در تبدیل گازهای سمی به عهده مواد کاتالیستی (یا کاتالیزور) می باشد ولی در این امر خصوصیات پایه کاتالیست مصرفی نیز نقش مهمی را ایفاء می کند ، و از خصوصیات مهم پایه کاتالیست ها می توان موارد زیر را ذکر نمود :
* دارا بودن سطح ویژه بالا
* مقاومت خوب در برابر شوک حرارتی
* مقاومت در برابر خوردگی
* استحکام مکانیکی خوب
* گرمای ویژه پایین
پایه کاتالیستهای مصرفی با توجه به نوع ، کیفیت و حساسیت مصرف آنها به صورت گلوله ای و یا منولیت سرامیکی / فلزی مورد استفاده قرار می گیرد .
پایه کاتالیستهای سرامیکی لانه زنبوری ( منولیتی )
در حال حاضر پایه کاتالیستهای سرامیکی توسط سازندگان به دو شکل کلی تهیه می شود . یکنوع ، شکل گلوله ای متخلخل (bead ) و نوع دیگر بصورت ساختار منولیتی می باشد . ساختار منولیتی از یک ساختمان لانه زنبوری که توسط یک دیواره نازک خارجی احاطه شده تشکیل میشود ، این دیواره سرامیکی توسط لایه میانی (wash – coat) پوشش داده می شود ، نقش اصلی این لایه ایجاد سطح ویژه بالا جهت قرار گرفتن مواد کاتالیستی بر روی لایه میانی می باشد .
تغییراتی که در سالهای اخیر در طراحی اتومبیلهای سواری ( دراندازه و وزن کمتر ) به عمل آمده است موجب استفاده و ترجیح نوع منولیتی شده است ، بطوریکه در حال حاضر حدود 90 % مبدلهای کاتالیستی در اتومبیلها از نوع منولیتی می باشند .
مقطعی از یک منولیت سرامیکی
نمایی از یک منولیت سرامیکی
نمایی از یک کانال منولیت
نمایی از مواد شیمیایی پوشش داده شده
پایه منولیتی فلزی
فلزات مصرفی برای پایه های کاتالیستی معمولاً به شکل ورقه های نازک با ضخامتی در حـــــــدود 0 .05 mm می باشد . برای تبدیل این ورقه ها به ساختار سلولی ، ابتدا شیارهایی در فواصل معین روی این ورقه ها ایجاد و با قراردادن ورقه های شیاردار روی ورقه های بدون شیار و پیچاندن آنها حول یک محور ساختاری با سلولهای تقریباً مثلثی بدست می آید . فلزات مصرفی برای این منظور آلیاژهایی از آهن (80% – 70 ) ، کرم (20% – 10 ) و آلومینیم (10% – 5 ) می باشند .
این نوع پایه سالهاست که در بازار موجود میباشند . عموماً در تهیه پایه های کاتالیستی فلزی از ورقه های نازک استفاده می شود که این خود یکی از مزیتــهای این پایه به شمار می رود . بدین معنی که دیواره های نازکتر باعث کاهش مقاومت در برابر عبور جریان گاز شده و همچنین به علت افزایش سطح ویژه پایه ، واکنشهای کاتالیستی به مقدار بیشتری انجام می شود . از مزیتهای دیگر پایه فلزی ، هدایت حرارتی خوب فلزات است که باعث شروع سریعتر واکنشهای کاتالیستی و همچنین جلوگیری از مسائل مربوط به گرادیانهای حرارتی در این پایه ها می گردد و همچنین مقاومت پایه های فلزی در مقابل ضربه بیشتر از پایه های سرامیکی است
مقطعی از یک منولیت فلزی مایی از یک منولیت فلزی
نمایی از یک کانال منولیت نمایی از مواد شیمیایی پوشش داده شده
– پوشش لایه میانی (wash – coat)
بعد از تهیه پایه های کاتالیستی مناسب ، مرحله بعدی طراحی فرمولاسیون لایه میانی و نشاندن آن روی پایه های کاتالیستی به صورت یکنواخت می باشد . مواد مصرفی برای پایه های کاتالیستی می تواند سرامیکی و یا فلزی باشد . البته امکان دستیابی موادی که همزمان دارای استحکام مناسب ، مقاومت در برابر شوک حرارتی خوب و در عین حال دارای سطح ویژه بالایی باشند کم میباشد به همین دلیل برای افزایش سطح ویژه در پایه های کاتالیستی منولیتی از یک لایه یا پوشش میانی به عنوان سطح اعمال مواد کاتالیستی استفاده میشود . مواد اصلی مورد استفاده برای این منظور آلومینا می باشد . از دلایل دیگر استفاده از آلومینا به عنوان لایه میانی می توان قابل دسترس بودن ، قیمت نسبتاً ارزان و مقاوم بودن آن در برابر گازهای خروجی اگزوز اتومبیل را نام برد .
در ضمن ضخامت لایه میانی در محدوده 10 – 100 mm میباشد .
– تلقیح لایه مواد کاتالیستی
معمولترین ترکیب مواد کاتالیست در یک سیستم کاتالیستی سه راهه ، مخلوطی از پلاتینیـوم و رودیم می باشد که با عبور گازهای اگزوز اتومبیل از روی پلاتینیوم ، هیدروکربنها و منواکسید کربن با اکسیژن ترکیب شده وتبدیل به آب و دی اکسید کربن می گردند .
کاتالیست های مدرن معمولاً دارای دو منولیت مجزا می باشند . اولین قسمت یا قسمت احیاء کننده ، شامل منولیتی با پوشش پلاتین و رودیوم می باشد که گاز NOx ( اکسیدهای مختلف نیتروژن ) را به اکسیژن و نیتروژن احیاء میکند . جریان گازهای اگزوز بعد از احیاء وارد قسمت اکسید کننده شده که دارای پلاتین و پالادیوم بوده و گازهای HC ( هیدروکربنهای نسوخته ) و CO ( منوکسید کربن ) به H2O و CO2 اکسید میگردند
محافظ فلزی ( کنینگ )
پایه منولیتی پس از ساخته شدن به خاطر دیوارهای نازک و ظریف نیازمند حفاظت از ضربه و یا شکستن می باشند لذا در محفظه هایی فلزی به شکل ا نباره های اگزوز خودرو قرارداده می شوند که از بعنوان Can تامبرده میشود .
انواع مختلف Can
-سپرهای حرارتی
بخاطر انجام واکنشهای شیمیایی گرمازا در داخل مبدل کاتالیستی ، دمای این قطعه تا حدود 800 درجه سانتیگراد میرسد که میتواند به کف خودرو و بدنه آسیب برساند ، برای حل این مشکل از یک یا دو سپر حرارتی در اطراف کپه ها بعنوان عایق حرارتی استفاده می شود .
محافظ منولیت ( Mat ) و توری فلزی
برای محافظت پایه های سرامیکی از خطر شکنندکی آن از نمد با حصیری جنس الیاف سرامیکی یا شیشه ای با قابلیت انبساطی مناسب استفاده می شود که بدور پایه سرامیکی پیچیده شده و ضربات مکانیکی وارده به پایه های سرامیکی را تقلیل میدهد . گاهی بر روی این نمدها از توری های فلزی نیز استفاده می شود که وظیفه آنها نیز جلوگیری از وارد شدن ضربات مکانیکی به پایه ها می باشد .
تخریب ساختار کاتالیزور
از عوامل مهم در تخریب و یا از کار افتادن کاتالیزورها می توان از آلاینده سرب (Lead poisoning) و یا افزایش بی رویه دما (damaging thermal ) نام برد . ذرات سرب از تبدیل تترا اتیل سرب که عامـــل (anti – knock) در سوخت می باشد بوجود آمده و در سطح مواد کاتالیستی مینشیند و باعث کاهش بازدهی واکنشهای کاتالیستی می گردد . بعد از استفاده از بنزین سرب دار ، بازدهی تبدیل اکسید نیتروژن و هیدروکربن به مقدار قبل از استفاده از بنزین سرب برگشت پذیر نبوده ولی بازدهی تبدیل منواکسید کربن تا حدودی برگشت پذیر می باشد . وجود سرب باعث افزایش Light off temperature می شود . افزایش بی رویه دما نیز ممکن است باعث densification در مواد کاتالیستی شده و بدین ترتیب سطح موجود برای انجام واکنشهای کاتالیستی کاهش می یابد . همچنین افزایش دما می تواند باعث تغییر ساختار آلومینا شده که این نیز همانطور که قبلاً هم اشاره شده باعث کاهش چشم گیری در سطح ویژه می گردد . گذشت زمان نیز در صورتیکه منجر به رشد ذرات مواد کاتالیستی گردد ، می تواند عامل دیگری در تخریب کاتالیزورها باشد . در پایه های کاتالیستی گلوله ای علاوه بر موارد فوق سایش بر اثر نوسانات نیز عاملی در جهت کاهش عمر و بازدهی کاتالیزور می باشد .