پروژه گاز
| دسته بندی | مهندسی شیمی |
| بازدید ها | 0 |
| فرمت فایل | |
| حجم فایل | 29022 کیلو بایت |
| تعداد صفحات فایل | 101 |
پروژه گاز
حفظ محیط زیست جزء وظایف اصلی انسان بشمار می آید . با پیدایش انقلاب صنعتی در اروپا و متعاقب آن با تکامل پیوسته تکنولوژی آلودگی محیط زیست نیز افزایش پیدا کرده است . اتومبیلها به عنوان یکی از منابع عمده آلودگی محسوب میگردند .
با افزایش تعداد اتومبیلها در جهان و بخصوص در شهرهای بزرگ نظیر تهران ،دفع طبیعی آلودگی امکان پذیر نبوده و الزاماً میبایست در جهت کاهش آن از منبع تولید کننده ( اصلاح موتور ) و نیز تبدیل گازهای مضر به گازهای کم ضررتر اقداماتی صورت گیرد . در چند دهه اخیر این موضوع مورد نظر قرار گرفته و پیشرفتهای زیادی برای رفع این مشکل حاصل شده است بطوریکه تکنولوژی ساخت موتورها به مقدار قابل ملاحظه ای اصلاح شده و احتراق بهبود و مصرف اتومبیل کاهش یافته است .
علیرغم این اصلاحات ،هنوز امکان حذف کامل گازهای آلوده کننده وجود ندارد و لذا میبایست پس لز احتراق و خروج گاز از موتور به کمک کنور تورهای کاتالیستی ، آنها را به گازهای کم ضرر CO2و HO2 تبدبل نمود . از حدود بیست سال پیش استفاده از کنور تورها یکاتالیستی که در صنایع شیمیایی جایگاه مشخصی داشته اند ، تحت عنوان کنور تورهای کاتالیستی اتومبیل رایج شده است . متاسفانه با وجود آلودگی شدید هوای شهرهای بزرگ ایران بخصوص و تهران سابقه فعالیتی در این زمینه وجود ندارد و لذا در این پروژه اولین قدمهای لازم برای شناخت علمی و عملی کاتالیستهای مربوط بر داشته شده است . نظر به اینکه لازمه هر گونه مطالعه ای در این زمینه ، شناخت نوع و عملکرد کاتالیستهای مربوطه میباشد ،ؤ این کار بر این موضوع متمرکز گردید . بدیهی است که در ادامه این پروژه نحوه انتخاب ، طراحی و ساخت این کاتالیزورها مورد بررسی قرار میگیرد .
در خاتمه با آروزی موفقیت برای کلیه پژوهشگران این مرز و بوم ، به امید روزی که نفس هوایی سالم و پاکیزه در شهر تهران همچنین بازگشت پرندگان خوش آواز به این شهر دور از واقعیت نباشد .
چکیده :
تنفس در هوایی سالم و پاکیزه یکی از آرزوهای شهروندان در دو دهه اخیر محسوب میگردد . با این هدف این پروژه به منظور گامی در جهت کاهش آلودگی هوا و سالم سازی محیط زیست انتخاب شده است ، آلاینده هایی که در این زمینه مورد بررسی قرار گرفتند آلاینده های گازی ناشی از اگزوز وسایط نقلیه موتوری هستند . آلاینده های اصلی گاز اگزوز عمدتاً شامل مونواکسید کربن (co) ، هیدرو کربنهای نسوخته (hc)و اکسیدهای نیتروژن (nox) میباشند . در این راستا چاره جز استفاده از کنوتورهای کاتالیستی وجود ندارد که در آنها واکنشهای اکسیداسیون CO و HC و واکنش احیاء NOX بطور همزمان انجام شوند . برای این منظور از کاتالیستهای سه جانبه (TWC) استفاده گردد . بنابراین در این پروژه شناخت این کاتالیستها در شرایط حقیقی گازهای اگزوز اتومبیل انجام گرفته است .
در این پروژه از سه فاز a- AL2O3 – S-AL2O3 , y – AL2O3 که به ترتیب هر یک دارای مساحت سطح BET معادل 285،125،26 متر مربع بر گرم هستند به عنوان پایه کاتالیست استفاده شده است .
فلزات انتخاب شده ، جزء عناصر واسطه گروه هفتم و هشتم جدول تناوبی میباشند . این نوع فلزت از نوع فلزات گرانبها و هم خانواده پلاتین هستند . PT، RH و PD فلزاتی هستند که در طراحی ، فرمولاسیون و ساخت کاتالیستهای سه چانبه این پروژه بکار گرفته شده اند . درصد وزنی هریک از این فلزات به ترتیب 5/0%،05/0%. 20/0%میباشد. فرمولاسیون سه نوع کاتالیست ساخته شده یکسان بوده و تنها اختلاف آنها در پایه بکار رفته است .
خلاصه فرمولاسیون کاتالیستهای مذکور به قرار زیر است :
در ساخت کاتالیستهای فوق از روش تلقیح (IMPREGNATION) مرحله ای استفاده گردیده است ، به این ترتیب که در سه مرحله جداگانه هر یک از فلزات یاد شده ، روی پایه های کاتالیستی نشانیده شده اند . ترتیب نشاندن فلزات فوق روی پایه کاتالیست یه گونه ای انتخاب شده است که نقاط ضعف هر یک حد اقل گردد و در عوض نقاط قوت آنها شدت یابد . پالادیم فلزی مقاوم در همروی یا کلوخه شدن (SINTERING) در پایه است ، لذا این فلز در پایین ترین لایه قرار داده شده است . رودیم واکنشهای احیاءNOX را بخوبی انجام میدهد ،اما در مقابل هجوم سموم کاتالیستی بسیار حساسمیباشد ، پس از این فلز نیز در نزدیک ترین لایه به سطح بعد از پالادیم قرار گرفته است . از طرفی پلاتین فلزی مقاوم در مقابل هجوم سموم کاتالیستی است ، این فلز رد خارجی ترین لایه به سطح و روی رودیم نشانیده شده است . لازم بذکر است که پالادیم و پلاتین واکنشهای اکسیداسیون CO و از رابخوبی انجام میدهند .
در طراحی و فرمولاسیون کاتالیست ها این نتیجه حاصل شده بود که میبایست به منظور تعدیل نوسانات ناشی از تغییرات دائم هوا نسبت هوا به سوخت (A/F) و همچنین بهبود خواص کاتالیستی ، از مواد افزودنی چون اکسید سزیم (CeO2)استفاده میگردید ، اما با توجه به عدم دسترسی به نمک سزیم عملاً این ماده در ساختار کاتالیستها ی ساخته شده بکار گرفته نشده است .
با توجه به آزمایشات انجام شده بهترین بازده تبدیل همزمان هر سه آلاینده Nox,HC,CO)) در حوالی نقطه استوکیومتری(A/F=14/7) حاصل میگردد ، لذا طراحی اتومبیل باید طوری باشد که حتی الامکان با این نقطه نزدیک باشد .
نتایج نشان میدهد که کاتالیست PCC1گازهای NO,Nox را با درصد بالایی (بالی 95 درصد) تبدیل مینماید ، اما تبدیل گازهای CO وHC را خوب انجام نمیدهد . البته با افزودن کمی اکسیژن اضافی ( بین 2 تا 3 درصد ) تبدیل CO نزدیک به 100 درصد هر رسد و نیز تبدیل HC به بالی 80 درصد افزایش یافت ، در عوض تبدیل NO و Nox کمی کاهش پیدا کرد 0 بدلیل بروز بازدارندگی اکسیژن در انجام واکنشهای احیاء).
کاتالیست PCC2 ، کاتالیست مناسب برای CO و تا حدی برای HC میباشد . چرا که تبدیل CO در این کاتالیست تقریباً 98 درصد بوده و تبدیل HC نیز تا 70 درصد مشاهده شده تبدیل NO,Nox در این کاتالیست پائین تر از 45 درصد میباشد .
افزودن اکسیژن به این کاتالیست درصد تبدیل CO ,HC را افزایش داد و تأثیر محسوسی روی بازده تبدیل NO,NOXنگذاشت .
کاتالیست PCC3و CO را صددرصد تبدیل نمود و تبدبل HC را نیز تا 80 درصد انجام داد، اما تبدیل NO و NOX در این کاتالیست بسیار پائین و حتی زیر 40 درصد (بیشتر اوقات زیر 20 درصد) بود . با توجه به نتایج بالا میتوان اظهار نمود ، کاتالیست مناسب که بکار رفته در آن بین دو فاز باشد .
فصل اول
مقدمه :
|
مقدمه |
1-1- انواع آلاینده های موجود در هوای تهران :
بر اساس ارزیابی های بعمل آمده بیش از 80 درصد آلودگی هوای تهران از وسایل نقلیه موتوری و کمتر از 20 درصد بقیه منابع و و سایل گرمایش خانگی و تجاری است . جدول یک مقایسه ای بین غلظت آلاینده ها در هوای تهران با هوای طبیعی و استاندارد نشان میدهد : ( متوسط سالانه )
آلاینده های تهران بر حسب ویژگی فیزیکی کلاً بصورت گازی و ذره ای است و مهمترین گازهای آلاینده عبارتند از کربن منو اکسید ؤ اکسیدهای نیتروژن ، هیدروکربنها ، اکسیدهای گوگرد ، هیدروژن سولفید ، ترکیبات آروماتیک و مهمترین ذرات آلاینده عبارتند از ذرات ناشی از سایش لنت ترمز ( آزبست ) و آسفالت خیابانها (بنزوپیرن) ترکیبات فلزی از جمله سرب ، کادیوم ، سولفاتها ، دانه ای گرد گیاهی ، اسانسها ، میکروارگانیسمها و ذرات ناشی از فرایندهای صنعتی و دوده .
2-1- اثرات سوء آلایندها بر ساختمان بیولوژیکی بدن :
آلاینده های نامبرده تأثیرات مختلفی بربدن میگذارند ، کربن منواکسید با هموگلوبین خون ترکیب پایداری تشکیل میدهد ، که از اکسیژن رسانی مطلوب به سلولها جلوگیری میکند ، سوخت وساز سلولی را مختل میگرداند ، موجب سرگیجه و سردرد میشود . نیتروژن دی اکسید و دیگر اکسیدهای نیتروژن در واکنشهای فتو شیمیائی دخالت میکنند و ترکیبات محرک و سرطانزایی بوجود می آورند . ئیدروکربنها باعث سوزش چشم و آسیب دستگاه تنفسی با تبدیل به سولفورتری بیماریهای ریوی میگردند .
سولفور دی اکسید نیز بعلاوه بر تحریک سلولهای مجاری تنفسی با تبدیل به سولفورتری اکسید و اسیدسولفوریک موجب اسیدی شدن اتمسفر و خوردگی در ساختمانها ، ابزار آلات صنعتی میشود که ابعاد ضرر و زیان ناشی از خوردگی بسیار گسترده است . در بین آلاینده های فوق سرب و ذرات ناشی از فرسایش آسفالت خیابانها ( بنزوپیرن) بعلت سرطانزایی بیشترین خطرات را برای سلامتی شهروندان در بر دارد .
طی 10 –20 سال اخیر غلظت کربن منواکسید ، سولفوردی اکسید ، نیتروژن در اکسید ، هیدروکربنها و ذرات در هوای تهران بیش از حد مجاز و استاندارد بوده است و این وضعیت با توجه به اینکه از استمرار زمانی برخوردار است اهمیت بسیار دارد ، زیرا چه بسا غلظت اندک یک ماده آلاینده در بلند مدت بتواند اثرات تخریبی بیشتری نسبت به غلظت زیاد لیکن کوتاه مدت بگذرد ، بخصوص که در شرایط کنونی غلظت آلاینده ها بیش از حد استاندارد است و در کنار هم میتواند تأثیرات حادتری را سبب گردند .
اثرات این آلاینده ها ممکن است به دو شکل ظاهر شوند ، اثرات کوتاه مدت که اکثراً در افراد بیمار ، مسن و کودکان بروز میکند و اثرات بلند مدت که بصورت بیماریهای خطرناک همچون انواع سرطانها ، ناراحتیهای ریوی ، خونی ، کبدی ، کلیوی ، قلبی و جز آن ظاهر میگردد .
3-1- لزوم استفاده از کنورتورهای کاتالیستی و خصوصیات کاتالیستی:
اثرات مخرب ناشی ازآلودگی هوا در شهرهای بزرگ صنعتی بر کسی پوشیده نیست . بطور متوسط پنجاه درصد این آلودگیها بوسیله گازهای حاصل از احتراق وسایط نقلیه موتوری ایجاد میگردد . این گازها شامل ئیدرو کربنهای سوخته نشده ، کربن منواکسید و اکسیدهای نیتروژن دار میباشند .
با ایجاد تغییراتی در طراحی موتور میتوان تا حدی این آلودگی را کاهش داد ، اما بطور کامل نمیتوان آنها را از بین برد . بهترین راه برای این منظور استفاده از مبدلهای کاتالیستی که تحت عنوان کنورتورهای کاتالیتیک شناخته میشوند ، میباشد . در واقع محور اصلی در این روش روی کاتالیستی میچرخد .
کاتالیستا مواد واسطه ای هستند که در واکنش شرکت نمیکنند بلکه تنها سرعت واکنش را تحت تأثیر قرار میدهند ، بدین معنی که ممکن است باعث افزایش سرعت یا کاهش آن گردند .
هنگامی که با واکنشهای متنوعی سر و کار داریم ، مهمترین خاصیت کاتالیست ، قدرت گزینشی آن خواهد بود و این بدین معنی است که کاتالیست تنها سرعت واکنش های خاصی که اغلب منفرد هستند راتحت تأثیر قرار بدهد و تغییری در سرعت بقیه واکنشها ایجاد نکند .
به عبارت دیگر واکنشهای جانبی ممکن را انجام ندهد و برای یک خوراک معلوم ، محصولاتی که محتوی مواد مطلوب و مورد نظر میباشند را حاصل نماید . پارامتر دیگر در انتخاب کاتالیست فعالیت (activity) بالای آن درتبدیل مواد مورد نظر میباشد . بعبارت دیگر بالا بردن درصد تبدیل (conversion) را بدنبال داشته باشد . عامل مؤثر دیگر در انتخاب یک کاتالیست طول عمر و پایداری آن تحت عوامل خارجی میباشد . در واقع کاتالیست بایستی در برابر حرارت و مسمویت از خود مقاومت نشان بدهد . در نهایت انتخاب آن بستگی به قیمت تمام شده دارد ، بدین معنی که هزینه تولید ساخت یک کاتالیزور بایستی قابل رقابت با نمونه های دیگر باشد .
قبل از شروع کار با کاتالیست ها باید کلیاتی در باره خواص کاتالیست ها بدانیم که این کلیات عبارتند از :
1- طرز انتخاب کاتالیزور برای تسریع در انجام واکنش خاصی هنوز بدرستی مشخص نمیباشد . بنابراین برای تهیه یک کاتالیزور مناسب بایستی از طریق حدس و خطا اقدام کرد .
2- ساختمان فیزیکی و بلوری کاتالیزور ، فعالیت کاتالیستی را ایجاد میکند و تهیه مصنوعی یک کاتالیزور از مواد شیمیائی تشکیل دهنده آن الزاماً جامدی با خواص کاتالیزور اصلی را ایجاد نخواهد کرد .
3- از نظر تئوری حالت واسطه ، کاتالیزور سبب کاهش انرژی پتانسیل در مسیری میشود که ترکیب شونده ها برای تبدیل شدن به محصولات واکنش باید از آن عبور نماید . این امر باعث افزیش سرعت واکنش خواهد گردید .
4- با وجود آنکه یک کاتالیزور ممکن است باعث افزایش سرعت واکنشی گردد ، هیچگاه نمیتواند حالت تعادلی و یا نقطه پایان واکنش را تغییر دهد .
5- با توجه به اینکه سطح جامد باعث فعالیت بیشتر کاتالیزور میشود و در نتیجه موادی که دارای سطح مخصوص زیادی هستند در کاتالیستها کاربرد بیشتری دارند.
مکانیسم واکنشهای کاتالیستی :
مکانیسم واکنشهای کاتالیستی تحت تئوریهای مختلفی بیان شده است . یکی از تئوریهای مهم آنست که واکنش در نقاط فعالی در سطح کاتالیزور صورت بگیرد . بیان ترتیب سه مرحله بطور پشت سر هم در سطح انجام خواهند گرفت .
مرحله 1- ملکول در سطح کاتالیزور جذب و به یک نقطه فعال متصل میشود .
مرحله 2-ملکول مورد نظر یا با ملکول دیگری واقع در نقطه فعال مجاور ترکیب میگردد .
مرحله 3-محصولات از سطح کاتالیزور جدا و نقطه فعال را آزاد میکنند .
کنورتورهای کاتالیستی از سه بخش عمده تشکیل شده اند :
substrate : پایه که معمولاً به یکی از سه شکل دانه ای لانه زنبوری و یا به صورت توری مشبک ساخته میشود .
washcoat : پوشش کاتالیستی که یک سطح بسیار بزرگی روی پی ایجاد میکند . هدف آن تهیه سطحی مناسب برای فلزات بکار رفته میباشد .
این پوششها WO3,CEO2,LA2O3,AL2O3معمولاً میباشد .
-مواد کاتالیستی ، معمولاً فلزات گرانبهای هم خانواده مثل پلاتین ، پلادیوم ، رودیوم ، ایردیم ، روتنیوم بوده و بصورت ترکیبی نیز بکار برده میشوند . معمولاً برای بالا بردن کارایی کاتالیست مقداری مواد بهبود دهنده به آنها می افزایند .
4-1-تاریخچه و سیر تکاملی کنورتورهای کاتالیستی در سطح جهانی :
اولین روش اعمال شده برای انطباق آلودگی گاز اگزوز با استانداردهای جهانی در سیستمهای کاتالیستی ، کنترل HC ، CO ، NOX بوسیله برگشت گاز اگزوز بوده است تئوری ان بیان که تعدادی از گازهای H2Oو CO2 بوسیله حرارت تجزیه شده و دمای احتراق را کاهش میدهند . گاز نیتروژن دار غالباً در اگزوز NO میباشد ، اما این گاز با اکسیژن ترکیب شده و تشکیل گاز قهوه ای رنگ NO2 را میدهد . مخلوط اکسیدهای نیتروژنی در اگزوز بصورت NOX نمایش داده میشوند .
هنگامی که دمای احتراق در موتور از 165درجه سانتیگراد بالاتر میرود ، nox بوجود می آید . عوامل مؤثر در ماکزیمم دمای احتراق ، نسبت تراکم و تنظیم شمع ها در رعایت ایجاد جرقه ، و نسبت استوکیومتری هوا به سوخت هستند . نسبت هوا به سوخت 6/14 وزنی در احتراق موتور برابر نسبت معادل یک میباشد .
هر فاکتوری که دمای را پائین آورده و باعث تنزل بازده حرارتی موتور گردد ، کارایی موتور را کاهش داده و لذا مصرف سوخت بالا میرود . این سیستم نسبتاً ساده اکسیداسیون کاتالیستی که بو سیله اغلب کارخانجات اتومبیل سازی مورد استفاده قرار میگرفته است برای سالهای متمادی قانع کننده بوده است کاهش بازده حرارتی موتور و سخت شدن استاندارد های آلودگی ، موجب شده است که محققین از روشهای دیگری برای کنترل آلودگی استفاده کنند . یکی از این روشها استفاده از کنورتورهایی بود که بتواند co و HC را اکسید نماد و NOX را احیاء نماید . لذا استفاده از کنورتورهای کاتالیتیک دو مرحله ای (DUAL BED) مطرح شد . در کنورتور اول از کاتالیزور های احیای به منظور کاهش NOX استفاده میگردید و در کنورتور دوم از کاتالیزورهایی که قادر به اکسیداسیون HC و CO باشند ، استفاده می شد .
چون عمل اکسیداسیون نیاز به اکسیژن زیادی دارد ، بایستی به کونور تور دوم مقداری اکسیژن اضافی تزریق گردد در کونور تور اول نیز در اثر فرایند احیاء ، NH کمتری تولید نمایند . یکی از راه حلهای پیشنهادی برای کاهش NH نگاه داشتن نسبت سوخت به هوا در نزدیک نقطه استوکیو متری می باشد . راه حل دیگر استفاده از کاتا لیزور هایی مثل RH می باشد که NH3 کمتری تولید می کنند .
نگاه داشتن تمامی سیلندرها در نقطه استوکیومتری تقریباً غیر ممکن می باشد . سعی و کوشش سازندگان اتومبیل برای کنترل اکسیژن تزریقی ، منجربه ساخت وسیله ای حساس به اکسیژن گردید . این اکسیژن سنجها اکسیژن اضافی در سوخت را نسبت به اکسیژن ورودی به کاربراتور را اندازه گرفته و وقتی ترکیبات گازی اگزوز از حالت سوخت غلیظ به حالت سوخت غلیظ به حالت سوخت رقیق تغییر حالت می باید ، سیگنالی ایجاد می گردد که میتواند در تنظیم نسبت هوا به سوخت مورد استفاده قرار گیرد .
به این ترتیب استفاده از مبدلهای کاتالیستی دو مرحله ای رواج پیدا کرد و انطباق با استانداردهای سخت تر و جلوگیری از به هدر رفتن کارائی موتور امکان پذیر گردید . اما روش فوق الذکر مصرف سوخت را بالا میبرد . به منظور کاهش مصرف سوخت بایستی از کاتالیزوری استفاده نمود که بتواند درنقطه استوکیومتری عمل نماید واکنشهای اکسیداسیون و احیاء مورد نظر را نیز ممکن سازد . به این ترتیب کاتالیزورهای سه جانبه TWC توسعه یافت. امروز اکثر اتومبیلها از این روش به منظور کاهش آلودگی ناشی از گاز اگزوز استفاده میکنند . اصطلاح کاتالیزورهای سه جانبه به این منظور بکار میرود که این کاتالیزورها قادر به ا نجام واکنشهایی روی CO و HC و NOX بطور همزمان میباشند . در روش TWC سوخت مصرفی کم و بازده و کارایی موتور بالا میباشد . در این روش به پمپ هوا و مکش نیاز نیست . حسن این روش در قیمت ارزان آن ، مصرف سوخت کم و پیچیدگی اندک میباشد .
معروفترین کاتالیزورهای سه جانبه PT و PD و RH میباشند . معادن اصلی این فلزات بیشتر در افریقای جنوبی و شوروی سابق میباشد . درصد این فلزات در سنگهای معدنی و مقادیر مورد نیاز آنها در یک TWC نمونه بصورت زیر میباشد.
جدول –2 – سیر نزولی کاهش گازهای سمی اگزوز را پس از استفاده از کنورتورهای کاتالیستی در سالهای قبل از 1968تا1970 را نشان میدهد .
برای اندازه گیریی آلودگی ناشی از گازهای HC و CO و NOX پس از رقیق نمودن گاز اگزوز آنرا از کیسه های مخصوصی جمع آوری میکنند . HC بوسیله FLAME LONIZATION DETCETOR که یونهای C را مشخص میکند ، اندازه گیری میشود . CO بوسیله NONDISPERSIVE INFRARED INTRTUMENT با طول موجی بین 5/4 تا 5 میکرو متر اندازه گیری میگردد . اکسیدهای ازتی نیز بوسیله CHEMILUMINESCE INSTRUMENT اندازه گیری میگردد .
فصل دوم
|
شیمی فیزیک واکنشهای انجام شده در مجاورت کاتالیستهای سه جانبه
|
2- شیمی فیزیک واکنشهای انجام شده در مجاورت کاتالیستهای سه جانبه :
جذب سطحی پدیده ای است که دارای ملکولهای فازسیال ( مثلاً گاز ) بوسیله تماس با سطح جامد در سطح نگهداری میگردند . جذب بوسیله نیروی اعمال شده بین مولکولهای گاز و جامد انجام میپذیرد . این نیروها بر دو قسم هستند ، فیزیکی و شیمیائی که به ترتیب تحت عنوان جذب فیزیکی و جذب