Proiect Monolit - Convertor Catalitic

1. INTRODUCERE

In lucrare sunt prezentate modelele matematice pentru conditii stationare de functionare, izoterma, ale unui reactor catalitic cu suport monolitic pentru catalizator, in care are loc oxidarea CO la CO2 , reactie cheie la depoluarea catalitica a gazelor de ardere.

Modelul cinetic se rezuma la o singura ecuatie de viteza, si anume aceea a oxidarii CO la CO2 pe catalizator Pt/Al2O3 fiind preluata o forma modificata a ecuatiei cinetice determinata experimental de catre Voltz et al. Parametrii constructivi ai monolitului ceramic si ai alimentarii (O2 in exces) au fost alesi apropiati de cei utilizati curent la convertoarele catalitice auto.

Alinierea la normele Comunitatii Europene (CE) privind emisiile de noxe are implicatii deosebite: pe termen scurt prin costurile aferente, dar pe termen lung cu beneficiul incontestabil al unui mediu inconjurator mai curat si mai sanatos.

Numeroase tehnologii actuale de diminuare a emisiilor de poluanti se bazeaza pe conversia acestora in reactoare cu catalizator pe suport monolit. Monolitul este constituit dintr un bloc de material ceramic sau metalic, strabatut in interior pe intreaga sa lungime de numeroase (sute pana la zeci de mii) canale paralele, in general cu sectiune patrata sau hexagonala (monolit „fagure”). Fiecare canal are peretii captusiti la interior cu un strat subtire de suport cu suprafata specifica mare ce constituie asa numitul « washcoat », pe care este fixat catalizatorul propriu-zis. Dimensiunile monolitului sunt alese in functie de provenienta efluentului tratat - compozitie, debit, temperatura, presiune, continut de suspensie solida (praf) - si de gradul de purificare dorit (continutul gazelor evacuate din reactor in poluantii „tinta”). Astfel, lungimea monolitului poate varia de la 0,1 m pana la cca. 1 m, latura canalelor de la 0,4 la 10 mm, grosimea peretelui dintre canale intre 0,15 si 1,5 mm, grosimea stratului de catalizator de la 20 la 100 mm.

Valorile mai mici sunt caracteristice monolitilor convertoarelor auto si instalatiilor casnice de incalzire, iar cele superioare monolitilor din convertoarele folosite la tratarea gazelor de ardere de la cuptoarele industriale (termocentrale, din rafinarii, industria chimica etc.). Catalizatorii folositi uzual pentru tratarea gazelor de ardere de la motoare au in compozitie un suport cu suprafata specifica mare (Al2O3 , CeO2 , SiO2 , zeoliti), si metale pretioase (Pt, Pd, Rh) suportate. Pe langa tratarea gazelor de ardere, reactoarele catalitice cu monolit au numeroase alte aplicatii la depoluarea efluentilor reziduali industriali si in variante recente ale unor procese chimice precum reformarea hidrocarburilor cu vapori de apa, fabricarea gazului de sinteza.

Pentru reactiile rapide si reactanti in concentratii mici, convertoarele catalitice cu monolit prezinta mai multe avantaje fata de cele cu strat fix de catalizator : cadere mica de presiune, rezistenta mecanica si fiabilitate in functionare, flexibilitate in proiectare si control, montare simpla si rapida, aria specifica de contact gaz-solid mare, viteze ridicate de transfer de masa si caldura. De aceea reactoarele cu monolit au dimensiuni si greutate reduse chiar la viteze volumare mari.

Geometria monolitului - lungime, volum, forma si dimensiunile canalelor - a fost considerata cunoscuta in modelare.

Studiul de fata prezinta un model matematic complet revizuit care ia in considerare :

- coeficienti de difuzie diferiti pentru cei doi reactanti CO si O2 , difuzia multicomponent la calculul celor doi coeficienti ;

- dependenta de temperatura si presiune a coeficientilor de difuzie si implicit coeficienti de transfer de masa pentru fiecare din cei doi reactanti CO si O2 variabili de-a lungul monolitului.

Simularea realizata cu ajutorul modelului determina in principal profilurile concentratiilor reactantilor si ale temperaturilor de-a lungul monolitului.

Concentratia CO la iesirea din reactor astfel calculata permite aprecierea nemijlocita a performantei convertorului catalitic, gradul de eliminare a monoxidului de carbon.

Catalizatorii utilizati in procesele specifice protectiei mediului sunt alcatuiti dintr-un suport inert (inactiv) care are rolul de a sustine (dispersia) faza activa.

Functie de modul de dispersie a componentului activ se diferentiaza urmatoarele tipologii de catalizatori:

- catalizatori masici: faza activa este repartizata omogen si continuu in intreaga masa a catalizatorului;

- catalizatori dublu suportati (monolitici): faza activa este dispersata pe un suport purtator cu suprafata specifica mare, iar suportul este depus pe peretii unor structuri monolitice ceramice sau metalice (extrudate) in forma de fagure.