PT92835B

PT92835B - Reactor quimico com catalise, especialmente panela catalitica para veiculos automoveis e respectivo processo de conversao quimica

Info

Publication number: PT92835B
Application number: PT92835A
Authority: PT
Original assignee: Mohammed Boubehira
Priority date: 1989-02-16
Filing date: 1990-01-10
Publication date: 1996-07-31
Also published as: PT92835A; FR2643114B1; EP0384853A2; ES2060990T3; EP0384853A3; ATE112359T1; DK0384853T3; FR2643114A1; EP0384853B1; DE69012853D1; DE69012853T2

Description

MEMORIA DESCRITIVA

presente invento refere-se de maneira geral aos reactores químicos destinados so tratamento por reacção química de uma mistura gasosa, por contacto com um material catalítico apropriado, especifico à anteriormente citada reacção química.

dedica-se tr atamento exclusivamente ao efluentes gasosos,

Tais reactores químicos podem ter utilização em todos os géneros de domínios técnicos. Sendo assim, o presente invento mais particularmente, mas não ou à conversão química de compreendendo poluentes diversos tais como dióxido de enxofre, óxidos de azoto, hidrocarburetos não queimados, monóxido de carbono, etc...; tais efluentes resultam, em particular, de processos de combustão tais como os encontrados nas caldeiras individuais, colectivas ou industriais.

A título preferencial, o invento interessa-se pela despoluição dos gases de escape de um motor térmico de combustão interna, isto é de conversão química, na presença de materiais catalíticos apropriados, dos efluentes gasosos da combustão de diferentes combustíveis ou produtos petrolíferos, tais como gasolina, gasóleo, etc... A este titulo, o invento dedica-se às panelas catalíticas, tais como as já utilizadas e propostas para veículos automóveis, particulares ou utilitários, as quais constituem reactores químicos no sentido da definição geral precedente.

Em conformidade com o documento US-C-3 247 665, foi proposta uma panela catalítica constituindo a panela de escape ou silencioso, comunicando com o colector de escape de um motor de combustão interna. Esta panela catalítica constituindo o reactor quimico inclui :

-	uma	parede de conjunto	delimitando, de	um lado	um
distr ib	ui dor	dos gases de escape	recebidos do motor	térmico, e	do
outro	lado	um colector dos	gases de escape	tratados	ou

convertidos

- uma pluralidade de químico, dispostos entre recipientes cilíndricos de o distribuidor e o colector tratamento , cada um

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-dmunicio com uma entrada para uma parte dos gases de escape a tratar, e com urna saída para a dita parte dos gases tratados ou convertidos; em cada recipiente esta disposta uma massa de um material catalítico, permeável passagem dos gases entre entrada e a saída do recipiente; este material catalítico na forma sólida é constituído, essencialmente, por uma matéria ca tal11icamente activa em presença da oxidação dos gases de escape, no caso presente um metal tal como o aço inoxidável sob forma de lã; o material catalítico é pois constituído essencialmente pela própria matéria catalitica na forma dividida, excluindo todo o substrato para o suporte superficial da dita matéria.

Uma tal solução apresenta diferentes inconvenientes.

material catalítico está, antes do mais, sob uma forma fisica, a saber embrulhada de fibras metálicas mais ou menos longas, não permitindo controlar a permeabilidade da massa catalitica de um dado recipiente e então o tempo de passagem efectiva dos gases tratados neste recipiente. De seguida, esta permeabilidade evolui com o tempo, pois que as fibras amontoam-se progressivamente, entravando assim a passagem dos gases.

A conversão química retida, a saber pós-combustão sem chama dos hidrocarburetos não queimados e do monóxido de carbono, por um lado não permite tratar ou converter os óxidos de azoto, e por outro lado necessita sobretudo a adição prévia de ar ou oxigénio complementar, o que complica a alimentação ou a construção da panela catalitica.

A forma de construção da panela catalitica não permite manter a temperatura de trabalho do material catalítico, pelo efeito único do calor sensível dos gases de escape e do calor de combustão, numa zona favorável para rendimento óptimo de conversão da reacção de oxidação.

presente invento tem por objectivo remediar os inconvenientes anteriormente citados.

presente invento tem por objectivo, em primeiro lugar, um material catalítico, constituído essencialmente pela própria

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-4matéria catalitica, tendo uma permeabilidade intrínseca controlada ou controlável.

invento tem igualmente por objectivo uni material catalítico especifico para uma conversão química dos gases de escape, sem adição prévia de. ar ou de oxigénio, permitindo igualmente o tratamento dos óxidos de azoto.

invento tem também por objectivo um modo de construção do reactor ou panela catalitica, que leva a sua temperatura de trabalho para uma zona favorável a um rendimento óptimo.

Estes objectivos são satisfeitos de acordo com o invento pelas seguintes earacteristicas técnicas essenciais consideradas isoladamente ou em combinação.

A matéria catalítica activa retida é fabricável por sinterização, e o material catalítico, necessário para constituir a massa disposta no recipiente de tratamento, è obtido por uma sinterização parcial da matéria activa, deixando subsistir nesta última passagens ou poros abertos, para a circulação interna da mistura gasosa a tratar em contacto com a superfície da matéria activa.

Uma tal morfologia do material catalítico, sob forma de conglomerado de grãos ligados entre si, permite multiplicar os locais activos de catálise, e melhorar portanto a eficiência da matéria catalitica activa.

No presente invento convém distinguir o sentido do termo matéria catalitica, que designa o produto tendo um efeito catalítico em relação à ou âs reacções químicas de tratamento de gases, do termo material catalítico, que designa o produto final disposto no recipiente de tratamento, obtido por sinterização, especialmente a partir da matéria catalitica de partida.

A matéria activa catalitica é especifica à reacção quimica dita de gás na água, e consistindo nos seguintes equilíbrios químicos =

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-5Cy Hz + zyH₂0 _ς > yC0₂ + (2y + z/2) H₂ cn 4 HoO --> 00-, 4 H->

Estas duas reacções permitem, por um lado tratar os hidrocarburetos não queimados e o monóxido de carbono, mesmo na ausência de oxigénio e por outro lado formar o hidrogénio que pode tratar os óxidos de azoto, tais como N0 segundo a seguinte r eacção:

N0 + H₂ -> 1/2 N₂ 4- H₂0

A parede da panela catalítica, e/ou a do recipiente de tratamento são feitas como uma sanduíche de materiais plásticos compreendendo, do exterior para o interior, uma película externa de material estratificado antichoque, uma alma de espuma plástica anti-inflamável, e uma película interna resistente à corrosão, especialmente a temperaturas elevadas.

Uma tal estrutura em sanduíche ou compósita permite fornecer um bom isolamento térmico, mas também uma boa inércia térmica, colocando em conjunto o material catalítico numa zona de temperatura relativamente mais elevada, da ordem de 300 a 4002C, favorável a um rendimento óptimo das reacções químicas de conversão. Pelas mesmas razões, uma tal estrutura permite a activação quase imediata da matéria catalítica, sob o efeito· do calor sensível dos gases de escape.

Para terminar, o presente invento pode ser vantajosamente realizado de acordo com as seguintes modalidades:

o recipiente de tratamento constitui um cartucho consumivel e interpermutável, de acordo com, ou em função da taxa, de inactivação do material catalítico contido pelo dito car t ucho.

- a panela catalítica estar disposta de modo a permitir o acesso ao dito cartucho, e substituição de um cartucho usado por um cartucho novo, com fecho da panela.

Esta solução é em particular economicamente compatível com matérias catalíticas pouco caras tais como o ferro ou o cobre, em

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-6relação às matérias catalíticas muito mais raras, tais como os metais nobres, por exemplo platina. Esta solução conduz a um novo conceito de panela catalítica ou de panela de escape, sujeita a manutenção periódica como motor ou seu filtro de óleo, por substituição do cartucho de tratamento catalítico.

Uma tal substituição pode ter lugar após controlo da ;ua eficiência, por exemplo com um banco de. análise dos gases de escape evacuados de veículos automóveis. fts garagens e estações de serviço actuais podem proceder a uma tal substituição, sem equipamentos ou ferramentas suplementares.

presente invento é agora descrito com referência aos desenhos anexos, nos quais:

- a figura 1 representa em escala ampliada um grão de um material catalítico de acordo com o invento, com separação parcial mostrando a estrutura interna do dito material;

- a figura 2 representa, sempre em escala ampliada, uma pastilha de um material catalítico de acordo com o invento;

a figura 3 representa uma bolacha de catalítico de acordo com o invento;

um material

- a figura 4 representa, de maneira esquemática, um veiculo automóvel equipado com uma panela catalítica de acordo com o invento, e mais precisamente o circuito de circulação dos gases de escape a partir de motor térmico de combustão interna;

a figura 5 representa, em corte. axial, uma panela catalítica de acordo com o invento, com escoamento paralelo ao eixo da dita panela;

- a figura 6 representa uma panela catalítica de acordo com o invento, sempre em corte axial, com escoamento prependicular ao eixo da dita panela;

- a figura 7 representa em corte transversal, a parede de um reactor quimico ou panela catalítica de acordo com o presente i nvento.

De acordo com a figura 1, a matéria catalítica de acordo com

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-7o invento apresenta-se sob forma sólida, mas dividida, por exemplo sob forma de partículas ou grãos (1). Cada grão, ou particular, é constituído no essencial r na massa, pela matéria cataiiticamente activa em relação ã ou às reacções químicas a que ela será sujeita aqui em seguida. Esta matéria activa ao nivel catalítico· é pelo menos um produto escolhido do grupo compreendendo o ferro, o níquel, o óxido cuproso, o cobre, o cobalto, o crómio e o cádmio. As matérias cataliticamente activas, retidas de acordo com o presente invento, são fabricáveis por sinterização, e cada grão (1) do material catalítico é obtido por uma sinterização parcial da matéria activa, deixando subsistir nesta última passagens ou poros (la) abertos, permitindo pósteriormente uma circulação interna da mistura gasosa a tratar, em contacto com a superfície interna da matéria activa essencial dos grãos (1). Por consequência, de acordo com o invento, é todo o substrato dos grãos (1) que é constituido pela matéria catalítica activa e não somente a superfície interna alongada dos grãos (1).

Preferencialmente, os grãos (1) são obtidos por sinterização de pós tendo partículas inferiores a 60 um, e compreendem em particular entre 0,1 e 10 um.

Os pós parcialmente sinterizados de acordo com o invento podem compreender, além da matéria activa ao nível catalítico, outros elementos ou produtos diferentes, inertes ou não em relação ã reacção quimica catalisada, desde que os ditos produtos sejam aptos a serem sinterizados em conformidade com o invento; é assim que se pode misturar silica ao pó a sinterizar.

De acordo com a figur2 2, a sinterização parcial dos pós de acordo com o invento permite obter pastilhas, em vez e em substituição dos grãos ou grânulos de acordo com a figura 1.

De acordo com a figura 3, a sinterização parcial permite obter em maior escala, bolachas de material catalítico de acordo com o invento.

de

De acordo acordo com com a f qualquer igura 4, uma das o material catalítico , fabricado figuras de 1 a 3, é executado numa

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-8panela catalítica (2), constituindo um reactor químico particular, para o tratamento ou conversão química, em presença de vapor de água e numa só etapa, dos principais poluentes dos gases de escape ds um motor térmico (3) de combustão interna. Estes gases de escape são colectados à saída do motor (3) num colector (4), enviados por uma canalização (5) à entrada (2a) da panela catalítica (2), e evacuados, depois de tratamento químico à saida (2b) da panela (2) pelo tubo (30).

Como descrito aqui em seguida, esta panela catalítica, graças à matéria catalítica retida e à zona escolhida das temperaturas de trabalho, permite levar a cabo a reacção química dita de gás na água, ar teriormente explicitada, e permitindo transformar os hidrocarbonetos não queimados e o óxido de carbono, em gás carbónico e hidrogénio, este último reduzindo os óxidos de azoto.

reactor químico ou panela catalítica (2) é delimitada por uma parede composta dum corpo cilíndrico (6), e duas placas de fecho, a montante (7) e a jusante (8), comportando respectivamente a entrada (2a) e a saida (2b), representadas na figura 4. As placas (7) e (8) estão dispostas para permitir, por exemplo por meio de parafusos e de roscas apropriadas, serem amovíveis em relação ao corpo (2), e permitir assim o acesso ao interior deste último.

A parede constituída pelo corpo (2) e pelas placas (7) e (8), é realizada em materiais compósitos tais como os representados na figura 7. Trata-se de um sanduíche de materiais plásticos compreendendo do exterior para o interior:

- uma película externa (9) tendo propriedades antichoque, constituída por um estratificado de uma resina apropriada, na qual são incorporadas fibras de reforço; preferencialmente, a resistência aos choques obtida pelo estratificado é de peio menos. 2 igual a 50 KJ/m ,

- uma alma (10) em espuma de plástico anti-inflamável, por exemplo em espuma fenólica modificada, tendo boas propriedades de amortecimento das vibrações,

... 4?

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- unia película interna (11) em estratifiçado, por exemplo em epóxi -- vi ni 1 i ca, reforçada por fibras inertes, tendo uma boa resistência à corrosão originada pelos gases de escape, incluindo a alta temperatura,

- eventualmente um revestimento interno (12) suplementar, assegurando ou reforçando a protecção contra a corrosão, tais como silicones, ou um polímero de flúor.

As fibras de reforço podem ser de todos os tipos, desde que sejam inertes em relação à resina que elas reforçam. Pode tratar-se de fibras longas ou curtas, de fios, de tecidos, ou de emaranhados, em particular de fibra de vidro.

Obtém-se assim um corpo de reactor químico particularmente leve, e tendo por exemplo uma massa especifica inferior a 1,9 g/cm , e apresentando muito boas propriedades de isolamento e de inércia térmica favoráveis às reacções químicas desenvolvendo-se no reactor (2). 0 interior do reactor (2) é constituído por dois compartimentos sucessivos (13) e (14), da entrada (2a) à saída (2b).

primeiro compartimento (13) está limitado, por um lado por um muro (6a) fazendo parte do corpo cilíndrico (6), sobre o qual repousa uma grelha (15), e por outro lado pela placa de fecho (7).· No interior deste compartimento está disposto um material filtrante (16), com forma de um feltro, por exemplo dè lã de vidro, formado de folhas consecutivas e adjacentes. 0 material (16) serve, não somente para filtrar e reter as partículas em suspensão nos gases de escape, mas também para retardar estas últimas, amortecendo ao mesmo tempo o ruído ligado ao escape do motor (3).

segundo compartimento (14) comporta um cartucho substituível (17), ou circuito de tratamento químico propriamente dito. Este cartucho é mantido de forma amovível, a partir da placa de fecho (7), graças aos parafusos (18) e (19) cuja haste atravessa orifícios apropriados na placa (7) e no muro (6a), para cooperar com as roscas (20) e (21) previstas sobre o cartucho (17) . Por conseguinte, desaparafusando os parafusos (18) e (19),

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pela manipulação das suas cabeças	(18a) e	(19a)	com uma
ferramenta, e pela abertura da placa	de	fecho	(8), é	possi vel
aceder ao cartucho (17), e de o extrair	do	cor po	(6).

Ο cartucho (17) propriamente dito é constituído a partir de materiais plásticos compósitos, tais como os anteriormente descritos com referência à figura 7, por montagem e colagem de um corpo cilíndrico (22), e de duas placas perfuradas circulares, de entrada (23) e de saida (24). No interior do cartucho são dispostas diversas camadas (251 a 257) de partículas do material catalítico de acordo com a figura 1, separadas entre si pelas grelhas (261 a 266).

A titulo de variante, as diferentes camadas (251 a 257) do cartucho (17) podem ser substituídas por um empilhamento de bolachas de acordo com a figura 3, separadas como anteriormente pelas grelhas (261 a 266).

De acordo com a figura 5, representou-se um cartucho de tratamento quimico, com escoamento paralelo.

Em conformidade com a figura 6, representou-se uma panela catalítica, com cartucho (17) de tratamento quimico, com escoamento perpendicular ao eixo da panela ou do cartucho. Na figura 6, as mesmas referências numéricas que as da figura 5 designam elementos idênticos ou tendo as mesmas funções.

De acordo com a figura 6, o ressalto (6a) do corpo (6) está munido com uma rosca (6b), permitindo o aparafusamento ou desaparafusamento de uma cabeça exterior e roscada (50a) de um tubo (50) fazendo parte do cartucho (17). Esta última é constituída por placas estanques (51) e (52), ligadas ao tubo axial (50), o qual passa por uma perfuração central da placa (51) e está fechada na outra extremidade pela placa (52). 0 tubo (50) é perfurado na sua parte interna, para permitir a passagem radial dos gases tratados, do eixo até a periferia do cartucho (17).

Como anteriormente, diferentes camadas ou bolachas (251 a 257) de material catalítico são empilhadas entre as duas placas circulares (51) e (52), estas camadas ou bolachas estando como anteriormente separadas por grelhas (261 a 266). A periferia

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-11«<r*

Sé <r cilindrica do cartucho (17) é fechada por uma grelha (53), permitindo a evacuação doe gases tratados.

Como o mostra a figura 4, a panela catalítica de acordo com o invento, formando silencioso, comunica de maneira estanque pela conduta (5) com o escape (4) do motor (3), tendo em conta a reacção de tratamento escolhida, a saber a do gás na água. É também preferível nestas condições prever um tubo de ligação (5) em material compósito, de maneira a evitar todo o arrefecimento substancial dos gases de escape através da panela catalítica (2).

Claims

REIVINDICAÇÕES

1 - Panela catalítica (2), destinada à conversão química num único passo dos principais poluentes dos gases de evacuação de um motor térmico de combustão interna (3), a qual compreende um recipiente de tratamento munido com uma entrada (23) para os gases de evacuação a tratar, e com uma saída (24) para os gases de evacuação tratados, uma massa (251 a 257) de um material catalítico, disposta no dito recipiente, permeável à passagem dos gases de evacuação, entre a entrada e a saída do recipiente, e sendo o dito material catalítico constituído por uma matéria catalítica, com a exclusão de qualquer substrato para o suporte da dita matéria catalítica, fabricado por meio de uma fritagem parcial, deixando subsistir passagens ou poros abertos (la) para a circulação interna dos gases de evacuação, em contacto com a matéria catalítica, caracterizada por, os gases de evacuação compreendendo, no essencial, o vapor de água, o monóxido de carbono, hidrocarbonetos não queimados e óxidos de azoto, sem juntar ar ou oxigénio complementares, a matéria catalítica específica da reacção química do gás com a água, ser constituída no essencial por um metal ou mistura de metais escolhidos no grupo que compreende o ferro, o níquel, o cobre, o cobalto, o crómio, e o cádmio, circulando os gases de evacuação em contacto com a superfície metálica do material catalítico.
2 - Panela catalítica de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por o material catalítico estar na forma de partículas (1), por exemplo, grãos, ou grânulos, ou pastilhas.
3 - Panela catalítica de acordo com a reivindicação 1, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por o material catalítico ser fabricado com a forma de bolachas.
4 - Panela catalítica de acordo com a reivindicação 2, caracterizada por a massa de material catalítico consistir, pelo menos, numa camada de partículas do dito material, disposta entre duas grelhas (23, 24, 261 a 266), que retêm as ditas partículas, e isto entre a entrada (23) e a saída (24) do recipiente de tratamento.
5 - Panela catalítica de acordo com a reivindicação 3, caracterizada por a massa de material catalítico consistir, pelo

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-13menos, numa bolacha do dito material, retida entre a entrada (23) e a saída (24) do recipiente de tratamento (17).
6 - Panela catalítica de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por incluir uma parede de conjunto (6, 7, 8) que delimita um recinto, no interior do qual está disposto o recipiente de tratamento (17), e a dita parede ser uma sanduíche plástica, que compreende do exterior para o interior, uma película exterior (9) de material estratificado antichoque, uma alma (10) de espuma plástica anti-inflamável e uma película interna (11) em material estratificado, resistente à corrosão a temperaturas relativamente elevadas.
7 - Panela catalítica de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por, por um lado, o recipiente de tratamento (17) constituir um cartucho consumível e interpermutável, de acordo com a taxa de inactivação de material catalítico contido pelo dito cartucho e, por outro lado, a panela catalítica (2) estar disposta de modo a permitir o acesso ao dito cartucho e a substituição de um cartucho usado por cartucho novo, com fecho da panela.
8 - Veículo automóvel munido com um motor térmico de combustão interna (3), equipado com uma panela catalítica (2), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizada por a panela catalítica (2) estar em comunicação com o colector de escape (4) do motor térmico, de modo estanque, quer dizer, sem introdução de ar auxiliar à conversão química dos poluentes.
9 - Veículo de acordo com a reivindicação 8, caracterizada por o encanamento (5), que liga o colector de escape e a panela catalítica (2), ser realizado num material plástico compósito.