Каталитическое окисление ацетона в контакте с медью 3. Каталитическое горение
Каталитическое горение - очень простой и зрелищный эксперимент
Сегодня я покажу вам как сделать домашний ядерный реактор. Надеюсь с чувством юмора у вас все в порядке, тогда приступим. Для постройки мини реактора понадобится стеклянная банка.Медная проволока диаметром где-то 1 мм. Предварите удалите с поверхности проволоки лаковую изоляцию.В роли термоядерного топлива будет использован простой ацетон.Делаем спиральку из проволоки, намотав её на круглый предмет нужного диаметра.Из крышки сделаем вот такое кольцо, вырезав центр. Проделаем отверстия и подвесим проволоку. Конечно проволоку можно сразу подвесить на банку без крышки.Спираль медной проволоки должна свободно висеть в банке и не касаться ее краев. От дна банки до спирали должно быть расстояние примерно 1 см.Запускаем наш реактор
Наливаем ацетон на донышко банки. Примерно пол сантиметра. Закрываем банку другой крышкой, чтобы пары ацетона не испарялись.Нагреваем спираль газовой горелкой.Нагревать нужно обязательно до красна, иначе реакция не запустится.И далее быстро, но без спешки попустить спираль в банку с ацетоном.Реакция началась. Смотрится просто поразительно эффектно.Очень красиво в полной темноте.Началась каталитическая реакция окисления меди в парах ацетона. Реакция проходит с выделением тепла. Горение проходит стабильно довольно длительное время.Меры предосторожности
- Проводите эксперимент в хорошо проветриваемом помещении.
- При работе с горелкой и ацетоном не случайно не подожгите одно от другого.
- Будьте очень внимательны и осторожны.
Смотрите видео
Обязательно посмотрите видео этого завораживающего эксперимента.sdelaysam-svoimirukami.ru
Каталитическое горение
Каталитическое горение пропан-бутановой смеси над платиной (проволока) Catalytic combustion of propane-butane mixture over platinum (wire) Платиновые металлы - хорошие катализаторы для многих окислительно-восстановительных процессов. Например, для реакций окисления водорода, аммиака и органических веществ кислородом воздуха. Для этой цели чаще всего используют платину и палладий. Компактные металлы также имеют хорошую активность, но еще более высокую активность проявляет платиновая и палладиевая чернь - мелкодисперсные порошки металлов. Поскольку платиновые металлы и их соединения имеют высокую стоимость и не всегда доступны (независимо от факта наличия денег на их покупку), в лабораторной практике и в промышленности часто используют пропитку пористых носителей солями платины и палладия с последующим их восстановлением до металла. Таким простым способом удается не только сэкономить платину и палладий, но и увеличить поверхность катализатора.
Мои эксперименты начались с того, что я пытался припаять платиновую проволочку к стеклянной палочке. Особенность платины в том, что она имеет коэффициент термического расширения близкий к таковому для стекла. Поэтому платиновую проволоку можно припаять к стеклу, а после охлаждения место спая не треснет. С другими металлами такое не получается: у них другой коэффициент термического расширения. В результате после охлаждения возникает напряжение, и стекло трескается, т.к. стекло и металл сокращают свои размеры при охлаждении в разной степени. Исключение составляют специальный сплав платинит (железо и никель или железо, кобальт и никель), который также имеет коэффициент термического расширения близкий к таковому у стекла, в частности, этот сплав используется в лампочках накаливания для впайки проволоки в стекло.
Процедура пайки предельно проста: нагреть конец стеклянной палочки до размягчения, раскалить платиновую проволочку и соединить их. Мешало разве что то, что проволочка была тонкой, а, следовательно, мягкой (платина - вообще мягкий металл).
Для работы использовал польскую горелку, которая работала на пропан-бутановой смеси и давала горячее, синее пламя (углеводороды перед подачей в пламя в этой горелке хорошо смешивались с воздухом).
Заметил, что платиновая проволочка быстро и сильно раскалялась в пламени газовой горелки. - Это было очень непривычно, если сравнивать с медью и железом. Явно дело в том, что поверхность платины выступает катализатором окисления пропана и бутана, поэтому на проволочке выделяется тепло.
Но и это еще не все: на поверхности платины возможно беспламенное горение водорода, аммиака, углеводородов, спиртов и других органических веществ. Явление исключительно красивое: поверхность катализатора сильно раскаляется, а объемного пламени нет (или почти нет). Раньше пришлось делать преимущественно опыты по каталитическому горению на поверхности оксида хрома (III) и металлической меди [1] - эксперименты красивые, но оксид трехвалентного хрома и медь - далеко не самые активные и удобные катализаторы. Их преимущество разве что в доступности.
Разумеется, когда под рукой была платиновая проволочка, я не смог устоять. Собственно, и делать специально ничего не нужно было: платиновая проволока уже внесена в пламя пропан-бутановой смеси. Я просто перекрыл на короткое время подачу газа, а потом снова открыл кран подачи: нужно сделать так пламя погасло, но проволока не успела остыть и осталась раскаленной. В результате, когда подача газа была восстановлена, проволока оставалась раскаленной - по тех пор, пока на нее попадает струя смеси углеводородов и воздуха. Наблюдалось беспламенное (поверхностное горение) углеводородов на платиновом катализаторе. Если ослабить подачу газа, накал проволоки (и размер раскаленной зоны) уменьшался, а если поток газа усиливать, накал сначала усиливался, потом уменьшался (за счет увеличения уноса тепла потоком).
Все хорошо, плохо только то, что проволочка для таких опытов не рассчитана: она имеет слишком маленькую поверхность и массу. Маленькая поверхность - маленький размер зоны горения (большая часть газа просто уходила в воздух помещения без изменений, не встретив на своем пути платиновый катализатор). Маленькая масса - маленькая тепловая инерция: когда мы гасим пламя, проволочка быстро остывает, иногда она успевала остыть ДО того момента, когда подача газа на поверхность платины восстанавливалась. Разумеется, в этом случае никакого каталитического горения не наблюдалась: пламя приходилось зажигать заново.
Кроме проволоки в наличие был кусок платиновой сетки - решил попробовать его: он имел, и бОльшую поверхность, и бОльшую массу. Эксперименты с платиновой сеткой будут описаны во второй и третьей частях статьи.
Пока что должен предупредить об одной неприятной особенности платиновых и палладиевых катализаторов: он боятся каталитических ядов. Каталитические яды - вещества, которые снижают активность катализаторов - вплоть до нуля. Для соединений платины и палладия роль каталитических ядов играют соединения серы, например, меркаптаны, которые добавляют в бытовой газ и сжиженный газ для горелок. Равно, как и соединения серы, которые содержатся в жидких нефтепродуктах (бензин, керосин и т.д.). Они "гробят" платиновый катализатор, причем необратимо. Имейте это в виду, и не говорите, что вас не предупреждали. Сжиженный газ "для зажигалок" и бензин "для зажигалок", а также авиационный керосин свободны от соединений серы, во всяком случае, от их высокого количества (разумеется, в наше время ручаться ни за что нельзя).
Поскольку наша жизнедеятельность основана на процессах, которые ускоряются (регулируются) биологическими катализаторами - ферментами, - часто каталитические яды являются и ядами в классическом понимании этого слова (т.е., они опасны для человека). Например, сероводород и меркаптаны не только деактивируют платиновый катализатор, но и ядовиты для человека, а также для многих других организмов. Но это правило не абсолютно: некоторые каталитические яды для нас безопасны. Например, роль сильного каталитического яда для некоторых катализаторов играет обыкновенная вода, причем в мизерных количествах.
intolimp.org
Беспламенное каталитическое горение
Игорь Белецкий (блогер You Tube) придумал, как показать любопытной публике модель реактора, который напоминает термоядерный реактор. Для его постройки понадобится стеклянная банка, медная проволока толщиной 1-2 миллиметра и немного «термоядерного» топлива. В качестве последнего прекрасно подойдет ацетон. В опыте происходит каталитическое окисление ацетона.
Опыт с ацетоном и медью
Сначала медную проволоку нужно очистить от лака и аккуратно намотать на какую-нибудь подходящую по размеру трубу виток к витку в один слой. Затем свободные концы закрепить на крышке банки или горлышке, так, чтобы спираль висела в одном сантиметре от дна.Теперь, чтобы запустить реактор, нужно налить в банку немного ацетона. После этого прокалить медную проволоку на газовой горелке до появления характерного красного свечения. Затем быстро опустить ее в банку.
Если все выполнить правильно, произойдет необычное явление. Запустится каталитическая реакция. Эта красивая реакция происходит в присутствии катализатора, в качестве которого выступает медная спираль. В ходе этого опыта получается беспламенное горение. Это окисление паров ацетона на поверхности медной проволоки. Реакция происходит с выделением тепла, о чем говорит раскаленная поверхность медного катализатора.
Управлять редактором можно, изменяя длину медной проволоки. Чем больше спираль, тем больше тепла она будет выделять. Продукты окисления в этой химической реакции — уксусная кислота и уксусный альдегид. Они получаются в газообразном виде и улетучиваются в виде пара. По этой причине верх банке нужно держать открытым или сделать в крышке отверстие для свободного доступа воздуха и вывода продуктов окисления.Этот эксперимент желательно проводить в проветриваемом помещении или на улице, чтобы не вдыхать продукты окисления и не увидеть чего лишнего.Медная спираль должна быть намотана очень плотно, противном случае потери тепла из-за лишнего зазора между витками превысят образование тепла за счет реакций окисления. В итоге ректора становится.
Важное достоинство беспламенного горения в том, что она может длится очень долго, так как топливо расходуется на порядок медленнее, чем при сгорании обычным образом. Такой же принцип работы используют каталитические грелки для рыбаков и любителей зимнего отдыха на природе. Катализатор в них платиновый. Но самое обидное, как отмечает, Игорь Белецкий, не видно всей этой красоты.
izobreteniya.net
Каталитическое горение - Справочник химика 21
Процесс регенерации закоксованных катализаторов по существу является каталитическим горением твердого топлива в условиях, когда осуществляется максимально полный контакт твердого катализатора с коксовыми отложениями. [c.74]О п ы т 93. Каталитическое горение сахара [c.59]
Чувствительность определения горючих компонентов при использовании низкотемпературных элементов каталитического горения составляет 5-10 7о об. по метану. Однако расположение рабочего и сравнительного элементов в общей камере, предусмотренное в хроматографе ХТ-4 с целью компенсации эффектов теплопроводности и теплоемкости негорючих газов, ограничивает область применения такого детектора анализом только горючих газов. Кроме того, пр и начальной температуре элементов 500—550°С на сравнительном элементе происходит частичное горение водорода и окиси углерода, которое вносит искажения в хроматограмму, уменьшая сигнал детектора от теплового эффекта сгорания этих компонентов на рабочем элементе. [c.134]
Напряжение питания, подаваемого на измерительный мост, составляет 1,0— 1,2 в. При этом пороговая чувствительность ло кислороду 0,075%1 об. При увеличении температуры нагрева чувствительных элементов появляется опасность (Возникновения помех за счет каталитического горения водорода, так как гелий обычно со- [c.193]В случае, когда газообразные отходы содержат малое количество горючих компонентов, по этой же причине вместо метода прямого сжигания применяют метод каталитического горения. Этот процесс протекает в реакторах с неподвижным или кипящим слоем катализатора при 200-600 °С (температура прямого сжигания достигает 1100 °С). [c.43]
Вторым видом медленного окисления горючих элементов при температурах, не достигающих температуры воспламенения, является горение на поверхности катализатора. Хотя процесс каталитического горения может протекать достаточно интенсивно, он все же не является процессом горения в техническом его понимании и может интересовать теплотехников главным образом с точки зрения применения его для избирательного сжигания газов в целях анализа. [c.121]
В случае малого содержания горючих компонентов в газообразных отходах, когда экономически невыгодно использовать метод прямого сжигания, широко применяют каталитическое горение. Процесс каталитического горения протекает в реакторах с неподвижным или кипящим слоем катализатора при 200-600 °С вместо 950-1100 °С при прямом сжигании. [c.354]
По мере прогрева стенок камеры сгорания количество подаваемого газа необходимо увеличивать с одновременной подачей все большего объема воздуха. Увеличение подачи газа и воздуха при розжиге производится постепенно до полного накаливания стенок камеры горения и создания условий каталитического горения, после чего факел из люка горелки удаляется и люк закрывается крышкой. Наблюдение за ходом процесса горения газа в горелке осуществляется через смотровое стекло, расположенное в верхней части камеры смешения. [c.156]
Выделение тепла в процессе каталитического горения щироко используется и в датчиках различных газоанализаторов. Первым таким прибором, по-видимому, можно считать лампу Дэви, созданную английским ученым более полутора столетия назад. Он установил, что нагретая платиновая проволока в ме-тано-воздущной смеси раскаляется и начинает светиться. На этом принципе им была создана безопасная лампа для работы в шахтах, которая могла гореть без взрывов в присутствии рудничного газа, а также служить индикатором на наличие метана в атмосфере. Лампа Дэви, по существу, явилась первым качественным анализатором газа на наличие углеводородов в атмосфере. Накаленная платиновая проволока используется и в ряде современных конструкций анализаторов. В последнее время она заменена специальным элементом из оксида алюминия с нанесенным на него слоем платины. [c.178]
Окисление окиси углерода температура 1250°, нагревают электрически (для смеси окиси углерода с воздухом скорость нагревания больше, чем для чистой окиси углерода) скорость каталитического горения окиси углерода над катализатором вначале увеличивается с повышением температуры, а затем понижается с дальнейшим увеличением температуры и приблизительно при 1200° равна нулю [c.183]
В присутствии катализаторов окисление водорода до воды (каталитическое горение) может происходить при низких температурах. На этом свойстве водорода основано применение газоанализаторов с раздельным сжиганием водорода (при температурах около 150—300°С). При температуре около 400 С требуются катализаторы на основе благородных металлов, таких, как платина и палладий. В случае использования платины достаточно обычных условий, чтобы вызвать воспламенение водорода. При температурах выше 500 °С могут быть использованы катализаторы на основе неблагородных металлов, например на основе тория. [c.284]
Необходимо обеспечить условия, прп которых второй член этого уравнения будет увеличиваться, в то время как первый будет уменьшаться. Этого можно достичь при применепии в качестве газа-посителя азота, если температура нитей будет составлять 500—600° С, а форма камер и расположение нитей будут выбраны такими, чтобы обеспечивалось интенсивное конвекционное перемешивание газа в камерах. Отвод тепла от нитей детектора при этом будет зависеть от теплоемкости заполняющего камеру газа. Во избежание каталитического горения углеводородов на поверхности слоя нитей детектора их покрывают тонкой пленкой продуктов распада кремнийорганических соединений. [c.275]
Для детектирования горючих соединений, которые можно разделить и анализировать с применением очищенного возд оса, применяют детектор по теплоте сгорания (термохимический). Тепловой эффект реакции каталитического горения гораздо выше эффекта изменения температуры детектора теплопроводности. Однако термохимический де- [c.709]
Были проведены опыты по исследованию поверхностного каталитического горения метана на платиновой сетке (рис. 8, Б) и на насадке из фарфоровых шариков (рис. 8, ). Сетку ставили в горячую зону кварцевой трубки таким образом, чтобы она полностью перекрывала сечение трубки. Схема опытной установки и методика работы описаны ниже в разделе Затопленная турбулентная струя . [c.28]
При каталитическом горении метано-воздушных смесей на поверхности платины и фарфора ацетилен не образуется. [c.35]
НИИ угля ( 15.2), в процессах сажеобразования и окисления сажи (см. гл. 18) или в случае каталитического горения (см. ниже). [c.101]
Окисление сажи. Частицы сажи могут окисляться в реакциях с атомами кислорода О, радикалами ОН и молекулами кислорода Ог. В принципе, эти поверхностные реакции должны рассматриваться Б рамках формализма процесса каталитического горения, описанного в 6.7. Однако из-за отсутствия кинетических данных и острой [c.317]Это позволяло проводить каталитическое горение водорода на очень ограниченном участке новерхности каталитического столбика, а именно на его кончике, выступающем из струи водорода наружу. [c.583]
Когда в воздухе-носителе. омывающем рабочую камеру газоанализатора, появляется примесь горючего газа, температура нити, помещенной в этой камере, повышается за счет каталитического горения на поверхности платины. При этом повышается ее электрическое сопротивление, и на измерительной диагонали моста возникает напряжение, вызванное нарушением баланса оно пропорционально концентрации газов. Это напр5тжение подается на переключатель масштаба 4, который коммутирует группы делителей напряжения, образованные серией проволочных сопротивлений. Переключатель позволяет получить пять масштабов записи 1 1, 1 2, 1 5, 1 10, 1 25. После переключателя масштабов напряжение, вызванное нарушением баланса, подается для регистрации на вход электронного потенциометра ЭПП-09. В измерительной панели установлен также микроамперметр /, служащий в комплекте с термопарой для измерения температуры хроматографической колонки. [c.156]
Низкотемпературные чувствительные элементы каталитического горения разработаны Институтом горного дела им. А. А. Окочинского для метаномеров — приборов переносного типа, предназначенных для определения метана в рудничной атмосфере Л. 159]. Достоинства этях элементов заключаются в том, что функции катализатора и термометра сопротивления в мих полностью разделены и выполняются разными устройствами. Термометром сопротивления является платиновая спираль, замурованная в слой твердого носителя, выполненного в виде шарика. [c.133]
В хроматографе ХТ-4 применен низкотемпературный детектор каталитического горения с расположением рабочего и сравнительного чувствительных элементов в одной камере (Л. 90, 113]. Газ-носитель — воздух. Расход воздуха — 60 m Imuh. Температурный режим разделительных колонок комнатный. [c.177]
Более высокая пороговая чувствительность (по СО — 2-10 3 по СН4—ЫО-З по Нг—З-Ю- о/оОб.) характерна для хроматографа ХТ-4, разработанного Одесским технологическим институтом пищевой и холодильной промышленности и Грозненским филиалом ВНИИКАнефте-газ [Л. 68]. Прибор предназначен для автоматического определения горючих компонентов (Нг, СО и углеводородов до С4 включительно) в продуктах сгорания. В хроматографе применен низкотемпературный детектор каталитического горения с расположением обоих чувствительных элементов (рабочего и сравнительного) в одной камере. В качестве элюата используется воздух с расходом 60 см /мин. Температурный режим разделительных колонок изотермический (комнатный). [c.188]
Бредфорд [50], изучая каталитическое горение окиси >тлерода на сереб ряных поверхностях, одновременно исследовал электрические свойства ката" [c.68]
Обнаружение утечек водорода необходимо для принятия начальных мер безопасности, таких, как закрытие линий и включение дополнительной вентиляции. Выпуск детекторов, основанных на каталитическом горении, масс-спектрометрии и электрохимических процессах в настоящее время промышленностью освоен. Новые разработки типа ультразвуковой зокдовой аппаратуры могут стать достаточно дешевыми при увеличении объемов производства. Для полноты системы безопасности требуется также детектирование водородного пламени. Пока предпочтение отдается ультрафиолетовым детекторам пламени, но необходимы дополнительные исследования и разработки более экономичных и надежных систем. Использования одорирующих веществ и окрашенного пламени снижает требования к детекторам для бытового применения водорода. [c.636]
Основная часть первых работ по изучению поверхностного и каталитического горения была выполнена фирмой Bone. Это направление начало развиваться в Великобритании приблизительно в 1965 г. в качестве наиболее перспективного подхода к созданию нового метода сжигания каменного угля. Инертным флюидизированным материалом служит преимущественно каменноугольная зола, которую смешивают с мелкозернистым углем, имеющим строго определенный размер частиц. Через относительно невысокий слой этой смеси продувают воздух, который флюидизирует ее начальное зажигание можно осуществить газовым факелом. Тепло, выделяющееся при горении угля в псевдоожиженном слое, непосредственно нагревает змеевики, расположенные в топочном пространстве. Прогоревшие частицы удаляют, смешивают со свежим топливом и снова возвращают в зону слоя. В настоящее время изучается возможность получения тепла путем сжигания котельного топлива, впрыскиваемого в псевдоожиженный слой огнеупорного материала. [c.582]
С тех пор как Дэви обнаружил, что для поджигания смеси определенного состава требуется какая-то минимальная температура, логично было предположить, что непрерывный подвод тепла к несгоревшему газу впереди пламени является существенным условием для распространения пламени. Таким образом, когда Дэви встретился с проблемой предупрежд ния несчастных случаев при взрывах в шахтах, он нашел способ предотвратить распространение пламени в горючей газовой смеси путем введения на пути пламени перегородок, затрудняющих передачу тепла от источника зажигания к массе окружающего газа. Экспериментальным путем он установил, что пламя не распространяется через маленькие трубочки, особенно, если они сделаны из материала с большой теплопроводностью. Безопасная лампа Дэви явилась результатом перехода от маленьких трубочек к мелкой сетке. Это изобретение явилось первым важным практическим результатом исследования процессов горения. Последующие работы Дэви посвящены определениям температуры пламени, явивижмся первыми по времени измерениями такого рода, и процессам каталитического горения. Сейчас эти вопросы привлекают особое внимание исследователей. [c.10]
В других устройствах вторичное топливо перемешивается с воздухом и впрыскивается в зону за катализатором [Fujii et al., 1996 Smith et al., 1997]. В любом случае смесь из вторичного топлива и воздуха перемешивается с продуктами каталитического горения первичного топлива и затем самовоспламеняется. [c.298]
Отделение физической химии Заведующий М. W. Roberts Направление научных исследовани химия поверхностно-активных веществ и твердых тел кинетика реакций в газовой фазе каталитическое горение и окисление термодинамика жидких смесей адсорбированные мономолекулярные слои на поверхности раздела жидкость — воздух реакции радиоизотопного обмена ЯМР-спектры твердых полиамидов, аминокислот и пептидов расчеты молекулярных орбит комплексов переходных металлов расчеты полей двухатомных молекул программирование в физической химии. [c.252]
chem21.info
Катализаторы горения - Миксент
Всемирная Топливная Хартия принятая ведущими производителями топлива предусматривает достаточно жесткие требования предъявляемые к топливу используемому для заправки автомобилей. Это необходимо для выполнения международных норм по содержанию вредных веществ в выхлопных газах двигателей. Для соблюдения этих требований конструкторы разрабатывают все более форсированные двигатели, а нефтепереработчики более чистые топлива, снижая в них содержание ненасыщенных, ароматических, полициклических углеводородов и содержание серы, отсутствие которой, приводит к повышенному износу топливной аппаратуры. Чтобы избежать отрицательного влияния отсутствия серы разработаны противоизносные присадки, к примеру, Миксент 2030.
Спрос на катализаторы горения
Жёсткие требования предъявляемые к топливу не всегда можно достичь в процессе нефтеперегонки по различным причинам, в том числе технологическим и экономическим, поэтому производители на конечном этапе используют присадки. Из-за этого растет внимание к "катализаторам горения" топлива. Это хорошо видно на примере патентования модификаторов горения дизельных топлив, рис. 1.
Классическим примером высокоэффективного промотора воспламенения применяющегося для улучшения полноты сгораемости дизельного топлива с меньшими выбросами вредных веществ в отработавших газах и соблюдения норм «ЕВРО» является цетаноповышающая присадка Миксент 2000.
Среди представленных модификаторов горения большой интерес представляет отдельный класс присадок, а именно - катализаторы горения.
Для более полного представления о том, что такое катализаторы горения приведем выдержки из статьи директора АПИ Василия Сердюка и его заместителя по научной работе Льва Ашкинази.
Катализаторы горения - что это?
Катализаторы горения – это вещества, изменяющие процесс горения (окисления) топлива, которые изменяют скорость и полноту сгорания топлива. Введение их в исходные топлива позволяет получить новые топлива с улучшенными свойствами.
Катализаторы горения предназначены для снижения энергии активации реакций окисления, происходящих в камере сгорания ДВС. Следствием снижения энергии активации является возможность проведения процесса окисления горючего и обеспечение полноты его сгорания при более низких температурах. Понижение температуры в камере сгорания приводит к уменьшению максимального давления в ней и, следовательно, к снижению жесткости работы двигателя, а также к уменьшению выбросов вредных веществ с отработавшими газами.
Известно, чем выше температура воспламенения горючего, тем меньше скорость его горения, катализаторы горения предназначены для увеличения скорость горения топлива. При прочих равных условиях ускоряющее действие катализатора будет тем больше, чем медленнее протекает некатализируемый процесс горения. Следовательно, наибольшее действие катализаторы будут оказывать на горение высококипящих углеводородов топлива, т.е. процесс догорания топлива.
Катализаторы горения применяются в концентрации от 0,001 до 0,01%, фактически не изменяют физико-химические свойства базового топлива, но обеспечивают изменение процесса его горения, переводя топливо в новый класс, соответствующий выполнению норм выбросов ЕВРО-2, ЕВРО-3, ЕВРО-4, при работе на исправном двигателе.
К катализаторам горения относятся органические соединения металлов первой, второй и переходной групп, применяемые в рабочей концентрации порядка нескольких ppb (parts per billion - частей на миллиард, например, мкг/кг или 1·10-7%) в пересчете на металл. Столь ничтожная концентрация катализаторов горения практически не влияет на загрязнение ими камеры сгорания и свечей зажигания.
Катализаторы горения могут выполнять частично роль каталитических нейтрализаторов. Например, в бензин вводят соединения платины, палладия, рения, родия, которые, пройдя камеру сгорания, отлагаются в виде металлов на стенках выхлопной системы и действуют как обычные катализаторы дожига. В более тяжелых топливах хороший эффект достигается введением соединений железа, например ферроцена в количестве 0,001-0,003%.
Присадки, в состав которых входят органические соединения металлов, применяют с 1950 г. и интерес к ним не ослабевает. Наиболее широко известны присадки ферроцена (дициклопентадиенилжелеза) и его производных, соединений марганца, меди, никеля, лития и других органических соединений металлов, а в некоторых случаях даже их оксиды. Бензины с такими присадками, в сравнении с бензинами без них, дают некоторое изменение эмиссии углеводородов, оксидов азота, оксида углерода, особенно на автомобилях с большим пробегом (более 60 тыс. км), и повышают эффективность работы каталитических преобразователей отработавших газов, уменьшая нагрузку на них за счет догорания топлива в камере сгорания.
Введение ферроцена в концентрации 15 ppm (parts per million - частей на миллион, например, мг/кг или 0,0001%) не оказывает отрицательного воздействия на работу двигателя, но положительно влияет на работу катализаторов дожига и увеличивает октановое число бензинов. Более того, ферроцен оказывает еще и каталитическое воздействие на процесс горения топлива, частично уменьшая нагар в камере сгорания и улучшая некоторые экологические характеристики двигателя, при одновременном небольшом снижении расхода топлива.
Для предотвращения возможного образования отложений, при использовании металлсодержащих органических соединений в составе катализаторов горения, широко используются присадки-выносители, способствующие удалению металла из камеры сгорания и со свечей зажигания.
Применение некоторых композиций металлорганических соединений позволяет существенно улучшить работу каждой присадки в отдельности, проявляя, в некоторых случаях, синергетический эффект.
В последнее время широко распространяются зольные присадки к автомобильным топливам содержащие металлокомплексные соединения, в которых в качестве лиганда используются соединения хелатного типа. Одним из достоинств металлокомплексных присадок является их многофункциональность. Широко используются композиции металлорганических соединений хелатного типа в растворителях - кетонах, дикетонах, оксимах, эфирах и т.д. Такие присадки являются универсальными многофункциональными перспективными катализаторами горения топлив. Среди них наиболее эффективны и наименее токсичны соли железа, которые были допущены в России к применению в топливах.
В результате давних споров о влиянии на каталитическое действие присадки металла и органического радикала в настоящее время считается общепринятым, что решающее влияние оказывает природа металла, входящего в состав присадки. Влияние лигандов - органической составляющей в формуле присадки незначительно:
Таблица 1. Изменение октанового числа (DОЧ по моторному методу) для эталонного топлива (60% изооктана и 40% н-гептана) в присутствии различных присадок:
| Октанповышающая присадка | Концентрация металлаприсадки в топливе, г/кг | DОЧ |
| Тетраэтилсвинец (C2H5)4 Pb | 0,15 | +5,0 |
| Метил (триаэтил) свинец СН3Pb (C2H5)3 | 0,30 | +12,4 |
| Тетраэтилгерманий (C2H5)4 Ge | 0,30 | -1,5 |
| Пентакарбонил железа Fe(CO)5 | 0,15 | +4,4 |
| Гексакарбонил хрома Cr(CO)6 | 0,15 | -5,3 |
| Димарганецдекакарбонил Mn2(CO)10 | 0,15 | +7,0 |
| Циклопентадиенилтрикарбонилмарганец С5Н5Mn(CO)3 | 0,10 | +7,5 |
| Меитлциклопентадиенил-трикарбонилмарганец СН3С5Н 4Mn(CO)3 | 0,10 | +7,5 |
| Этилциклопентадиенилтри-карбонилмарганец С2Н5С5Н 4Mn(CO)3 | 0,10 | +7,5 |
| Ферроцен (С5Н5)2 | 0,10 | +7,0 |
| Диэтилферроцен (C2H5С5Н5)2 Fe | 0,10 | +7,5 |
Из таблицы 1 видно, что введение большого количества свободных радикалов (СН3*, С2Н5* и других) в состав металлорганических соединений лишь незначительно изменяет детонационную стойкость топлив в камере сгорания, а замена одного металла на другой качественно изменяет эффективность действия. Поэтому, исследователи на первых порах обратили основное внимание, прежде всего, на свойства металлов, как носителей анти- и продетонационных свойств. Оказалось, что большей как АД-, так и ПД- эффективностью обладают наиболее тяжелые, а значит, и самые крупные атомы.
Предпринимались попытки выстроить ряды каталитической активности для металлов антидымных присадок. Е.В. Бернштейн получил соединяющий ряд антидымной активности металлов в двигателях с открытой камерой сгорания типа Гессельмана:
Ва > Са > Ni > Со > Сг > Ре > Си > Mg > Al > Na, К, Zn.
Другие авторы предлагают ряд, который выглядит следующим образом:
Mn > Ва > Fe > Cu > Со > Mg > Ni > Pb.
Различие объясняется разными типами двигателей, которые были использованы в том и в другом случае, поскольку эффективность катализаторов зависит от способа смесеобразования в двигателях разного типа.
Механизм действия присадок
Для объяснения механизма действия металлсодержащих антидымных присадок выдвинуто несколько версий. Первая основана на том, что в пламени металлы образуют ионы, которые уменьшают скорость зародышеобразования сажевых частиц и их коагуляцию. Главным образом, это относится к легкоионизирующимся щелочным металлам. Второй механизм предложен для щелочноземельных металлов и сводится к их реакциям с продуктами горения топлива, в результате которых образуются гидроксильные радикалы. Последние газифицируют сажу. Сюда же примыкает гипотеза о том, что барий, окисляясь на первых стадиях горения избытком кислорода, переносит его на последние стадии, где наблюдается недостаток кислорода. На основании результатов оптического зондирования горящей смеси лучом гелий-неонового лазера сделано предположение, что бариевые антидымные присадки ускоряют выгорание сажи, образующейся при диффузионном горении капель топлива, не влияя на выгорание сажи, образующейся при горении уже испарившейся части топлива. Наиболее эффективны такие присадки при горении тяжелых топлив в форсированных режимах или при малом угле опережения впрыска, когда большая масса топлива не успевает испариться.
Весьма сходно с антидымными присадками действие антинагарных и нагароочищающих присадок, предназначенных уменьшить нагарообразование в камере сгорания дизельного двигателя, предотвратить закоксовывание поршневых колец. Рекомендуемые концентрации присадок при постоянном применении - 0,005-0,02%. В «ударных» концентрациях (0,05-0,1%) эти присадки способны выступать как нагароочищающие и удалять с деталей двигателя образовавшийся ранее нагар. При такой нагароочистке возможно временное повышение дымности и токсичности ОГ, так как часть удаляемого нагара не успевает выгорать и выбрасывается в атмосферу.
В общем случае присадки модифицируют структуру нагара, оказывают каталитическое действие на его выгорание и смывают частицы нагара и продукты его превращения. Показательна присадка «Антикокс», содержащая катализатор горения - медную соль органической кислоты. При введении в топливо присадки в концентрации 0,02-0,05% нагар удалялся на 25-65%. Часть нагара, которая не была удалена в процессе испытаний, изменилась. Нагар стал рыхлым и легко снимался протиранием поверхности без соскабливания и кипячения. Аналогично действие антисажевых присадок, предназначенных для уменьшений скорости забивки сажевых фильтров, устанавливаемых на автомобилях перед каталитическими нейтрализаторами или непосредственно в выпускном тракте. Сажевые фильтры любой конструкции теряют пропускную способность и требуют регенерации уже через 200-500 км пробега, а иногда и раньше. Наличие присадки обеспечивает постепенное выжигание сажи, устраняя опасность перегрева при периодических регенерациях.
Иногда металл используют не в виде присадки, а наносят на поверхность фильтра. При нормальной работе двигателя этот прием дает такой же экологический эффект, как и введение присадки в топливо. Однако каталитические покрытия медленно отравляются серой, содержащейся в топливе. Кроме того, если двигатель долгое время работает в режиме холостого хода и на малых нагрузках, когда температура ОГ невелика, каталитическое покрытие не обеспечивает выгорания сажи, которая накапливается, а при переходе двигателя на большие нагрузки сажа интенсивно выгорает с развитием опасных для фильтра температур. Что же касается присадки, то в режиме холостого хода для достижения необходимого эффекта можно просто увеличить ее концентрацию в топливе.
Рекомендуемые концентрации антисажевых присадок составляют 0,01-0,02% при номинальной нагрузке. В пересчете на металл, являющийся каталитической основой присадки, это составляет десятки ppm. В режиме холостого хода присадки требуется на порядок больше.
Принцип действия антисажевых присадок в первом приближении заключается в понижении температуры выгорания сажи до 250-300°С, сравнимой с температурой ОГ, с помощью добавок соединений меди, железа и других металлов. Металлы сгорают до оксидов, которые затем легко восстанавливаются сажей на поверхности фильтра.
Катализаторы горения светлых топлив предназначены инициировать горение топлив, особенно на последних стадиях, характеризующихся недостатком кислорода. Присадки этого типа используют преимущественно в мазутах, но в некоторых случаях вводят и в светлые топлива. Наибольший эффект от применения катализаторов горения наблюдается в дизельных топливах, горючая смесь которых в камере сгорания гетерогенна, т.е. состоит из паров и мелких капель топлива, а также частиц сажи. Вообще, чем тяжелее топливо, тем эффективнее действие присадки. В качестве активного компонента катализаторы горения содержат соединения металлов, катализирующих окисление углеводородов: железа, меди, марганца и др. Патентуются также беззольные присадки, например на основе органических пероксидов. В этом случае их называют инициаторами. Рабочие концентрации катализаторов горения лучше всего устанавливать по металлу. Достаточно, если в топливе будет 5 – 50 ppm металла-катализатора. Концентрации самих присадок в таком случае будут составлять сотые доли процента.
Следует заметить, что мировой опыт использования катализаторов горения в светлых топливах невелик. Поэтому многие вопросы, связанные с оптимальными условиями применения присадок, их побочным действием и т.д., до конца не выяснены.
Полагают, что соединения щелочных и щелочноземельных металлов повышают концентрацию гидроксил-ионов в пламени. Последние, сорбирующиеся на поверхности горящих частиц и являющиеся сильными окислителями, участвуют в реакции горения. Соединения переходных металлов служат переносчиками кислорода с первых стадий горения, характеризующихся его избытком, на последние, где окислителя не хватает.
Оценка эффективности катализаторов горения
Оценка эффективности катализаторов горения осуществляется по экономичности двигателя и токсичности отработавших газов.
Катализаторы горения по-разному действуют на сгорание бензинов и дизельных топлив, что объясняется разным составом топлив и состоянием горючей смеси в камере сгорания. При добавление катализатора горения в топливо ускоряются процессы окисления, что приводит в дизельном двигателе к более полному сгоранию тяжелых остаточных фракций в основной фазе сгорания и снижению доли топлива, сгорающего в фазе догорания. Это приводит к уменьшению удельного расхода топлива. В присутствии катализаторов горения на последней стадии процесса происходит догорание топлива практически до конца, что приводит к более высокому давлению на поршень в заключительной стадии его движения. В целом топливо сгорает быстрее, хотя и снижается максимальная скорость сгорания топлива. Т.е. на стадии начала горения катализатор тормозит скорость окисления топлива, а на второй при догорании за фронтом пламени ускоряет процесс горения и делает его более полным. В результате двигатель начинает работать «мягче», что снижает напряженность деталей и увеличивает ресурс двигателя.
Предполагается, что в бензиновом двигателе работа на топливе с катализатором горения приводит к более углубленному пиролизу не испарившейся части топлива, т.к. сгореть эта часть топлива не может из-за недостатка кислорода, вызванного тем, что бензиновый двигатель работает с коэффициентом избытка воздуха близким к единице.
Катализаторы горения способствуют уменьшению нагрузки на каталитические нейтрализаторы и сажевые фильтры, так как происходит более полное сгорание топлива и количество вредных веществ в отработавших газах существенно снижается, в зависимости от марки автомобиля, его состояния и качества исходного топлива, табл. 2.
Таблица 2. Снижение содержания вредных веществ в отработавших газах ДВС при использовании каталитических присадок (0,01% об.)
| Вредный компонент ОГ | Присадка | |
| «0010» | «0011» | |
| Дымность | до 90 | – |
| Оксиды азота | до 50 | до 55 |
| Оксид углерода | до 85 | до 85 |
| Углеводороды | до 65 | до 80 |
| Бенз(a)пирен | до 40 | до 90 |
| Альдегиды | до 60 | до 16 |
| Аэрозоль | до 20 | - |
| Масляный туман | до 20 | до 100 |
Испытания присадок
Моторные испытания экологической каталитической комплексной присадки к дизельному топливу «0010» проводили в соответствии с требованиями ГОСТ 14846 и ГОСТ 14846 на испытательных стендах, оборудованных двигателем КАМАЗ-740.10 и двигателем ВАЗ-2108.
Стендовые испытания показали, что введение экологических каталитических присадок в автомобильные топлива приводит к:
- увеличению мощности и коэффициента полезного действия;
- снижению удельного расхода топлива;
- уменьшению содержания вредных веществ (CO, CH, NOx и дымности, альдегидов, бенз(а)пирена и др.) в отработавших газах двигателей.
Прибавление к топливу моющих присадок уменьшает отложения на впускных клапанах, но увеличивает отложения в камере сгорания. Прибавление к топливу с моющими присадками катализаторов горения приводит к более полному сгоранию топлива и устраняет отложения в камере сгорания.
Общеизвестно, что содержание оксидов азота в ОГ двигателей напрямую связано с температурой в камере сгорания (КС). Под действием катализатора снижается энергия активации процессов горения топлива и увеличивается полнота его сгорания.
На всех автомобилях и всех режимах холостого хода (ХХ) наблюдается устойчивое и заметное снижение содержания SO2 в ОГ. Наименее эффективно катализатор горения «0011» работал на двигателе автомобиля Mazda B-Series (рег. № 8884 35D), где снижение содержания SO2 составило до 70 и 60 % на минимальных и повышенных оборотах ХХ соответственно. Наиболее эффективно действие катализатора на двигателеMercedes 300, где максимальное снижение содержания диоксида серы составило более 90 %.
Содержащиеся в топливе сернистые соединения в виде органических тиолов, сульфидов и дисульфидов (в том числе в составе гетероциклических соединений) достаточно легко расщепляются по связям S - H (энергия связи 83 Ккал/моль), S - С (65 Ккал/моль) и окисляются кислородом. Этот процесс катализируется железом, которое всегда присутствует в топливе.
При недостатке кислорода, а на всех двигателях установлен лямбда-зонд, поддерживающий стехиометрическое соотношение кислород - топливо, сульфидная сера сгорает не до SO2, а по уравнению:
S-2 + O2 ® S0 + 2О-2 + Q
где: Q - выделяемое тепло.
Кроме того, известно, что под действием специальных катализаторов при t > 500 °C диоксид серы способен вступать в реакцию взаимодействия с монооксидом углерода:
O2 + 2CO ® S0 + 2CO2 + 52 Ккал
В присутствии следов воды, которая всегда содержится в отработавших газах, возможно протекание окислительно-восстановительного процесса:
2S-2 + SO2 ® 3S0 + Q
Все эти реакции приводят к образованию элементарной серы, которая выносится с ОГ. Если диоксид серы является весьма вредным химически веществом, токсичной примесью в атмосферном воздухе промышленных городов; при концентрации 0,03-0,05 мг/л в воздухе вызывает раздражение глаз, горла и заболевания верхних дыхательных путей, то элементарная сера - одно из наиболее старых средств борьбы с вредителями и болезнями сельскохозяйственных растений.
Изменение процесса горения топлива при постоянном применении катализатора горения в качестве присадки к дизельному топливу приводит к более полному сгоранию компонентов топлива, уменьшению вредных компонентов и очистке камеры сгорания, клапанов.
На рисунке 2 приведен обобщенный график, характеризующий тенденцию содержания вредных веществ в отработавших газах двигателя, работающего на топливах с катализаторами горения.
Рис. 2. Изменене содержания вредных веществ в отработавших газах ДВС.
На I участке кривой наблюдается резкое снижение содержания вредных веществ в отработавших газах, вызванное каталитическим действием присадок на процесс сгорания топлива.
Увеличение содержания вредных веществ в отработавших газах на II участке объясняется постепенным выгоранием скопившихся в камере сгорания и газовыхлопном тракте отложений, нагаров и лаков. В первую очередь выгорают лаки, затем нагары, кокс и зольные отложения камеры сгорания, которые модифицируются радикалами катализатора. Модификация процесса горения приводит к понижению температуры выгорания отложений, которые выносятся отходящими газами. В результате восстанавливаются конструкционные параметры камеры сгорания и нормализуется рабочий процесс в цилиндрах. Подобный ход кривой объясняется большим недостатком кислорода в камере сгорания. На III участке наблюдается та же картина, что и на I.
Применение катализаторов горения
Применение катализаторов горения в сочетании с различными топливами дает возможность снизить требования конкретного двигателя к октановому числу бензина, вследствие очистки камеры сгорания. При накоплении в камере сгорания нагара с низкой теплопроводностью и теплоемкостью, требования к октановому числу бензина повышаются на 10 – 12 пунктов. Профессором Е.Р. Магарилом с сотрудниками в результате эксперимента, проведенного на автомобиле ВАЗ 2106, установлено, что после пробега равного 400 км на бензине, содержащем никелевый катализатор горения, оказалось возможным перейти на бензин А-76 с присадкой вместо бензина АИ-92.
Катализаторы горения тяжелых топлив применяются для снижения механического недожога и выбросов сажи в окружающую среду. При умелом использовании катализатора можно добиться и снижения выбросов оксидов азота, хотя на первый взгляд интенсификация процесса горения приводит к повышению температуры пламени и, как следствие, ускорению образования оксидов азота. При сгорании остаточных топлив только часть оксидов азота образуется путем связывания азота воздуха. Другая часть представляет собой «топливные оксиды», образование которых зависит, прежде всего, от концентрации кислорода. Поскольку в присутствии катализатора для хорошего горения требуется меньший избыток воздуха, меньше образуется и топливных оксидов азота. Чем меньше избыток воздуха, тем меньше потери тепла с уходящими газами. Таким образом, при использовании катализаторов горения увеличивается и тепловой КПД установки.
Принцип действия заключается в окислении сажевых частиц катализатором горения или продуктами его превращении в зоне горения. Например, переходные металлы являются переносчиками кислорода с первых стадий горения, на которых кислород находится в избытке, на последние стадии, где испытывается его недостаток:
МxОy + С ® СО + МxОy-1.
Щелочные и щелочно-земельные металлы повышают концентрацию в пламени гидроксид-ионов. Последние, являясь окислителями, также ускоряют горение сажистых частиц.
По эффективности металлы как катализаторы горения располагаются в ряд:
Mn > Sn > Сu > Со > Zn > Мо > Mg > Fе > Са
Показателями эффективности катализатора горения служат - снижение механического недожога и уменьшение дымности отходящих газов!
Итак, что мы имеем?
Преимущества применения катализаторов горения
Применение катализаторов горения в концентрации от 0,002-0,01% наибольший эффект дают в дизельных топливах и позволяет получить следующие ПРЕИМУЩЕСТВА:
- увеличить КПД и мощность двигателя за счет более полного сгорания топлива;
- очистить камеру сгорания, свечи и газовыхлопной тракт от нагаров и отложений;
- уменьшить удельный расход топлива до 7 %;
- повысить экономичность эксплуатации автотранспорта;
- увеличить мощность двигателя за счет увеличения полноты сгорания топлива;
- снизить чувствительность двигателя к качеству топлива;
- использовать топливо с более низким октановым числом;
- получить большую эффективность на менее качественном топливе;
- ускорить регенерацию катализаторов дожига;
- уменьшить нагрузку на катализаторы дожига и сажевые фильтры;
- снизить содержание вредных примесей в отработавших газах;
- сохранить физико-химические свойства топлива;
- снизить жесткость работы двигателя;
- несколько увеличить октановое число бензинов;
- возможность вводить их в баки автотранспорта, автоцистерны, танки судов, цистерны хранения, хранилища АЗС перед их заливкой топливом;
Недостатки катализаторов горения
Катализаторы горения имеют и некоторые НЕДОСТАТКИ:
- увеличивают стоимости топлива;
- при применении присадок на базе щелочных металлов возможна коррекция угла опережения зажигания;
- мировой опыт использования катализаторов горения невелик. Поэтому многие вопросы, связанные с оптимальными условиями применения присадок, их побочным действием и т.д., до конца не выяснены.
Стоит ли применять катализаторы горения?
Плюсы
Проведению исследований и испытаний с целью создания катализатора горения для улучшения топлива с целью получения экономии и уменьшения выброса загрязняющих веществ в отработанных газах.
Минусы
В связи с малоизученностью темы недобросовестные предприниматели используют данную тему для получения сверхприбыли. За последние два года отмечается наибольшее увеличение предложений "катализаторов горения".
miksent.ru
Каталитическое горение
Каталитическое окисление - очень простой и зрелищный эксперимент. Ну чем не миниреактор. Ацетоновый фонари...
Как то давно у меня не выходило ничего нового. думаю самое время выпустить очередной развлекательный матер...
http://chemistry-chemists.com/N1_2017/ChemistryAndChemists_1_2017-P5-2.html.
Каталитическое горение – это процесс окисления компонентов топлива, спирта или ацетона на поверхности...
Каталитическое горение, подробности изготовления http://youtu.be/XD70TbfIvbc Принцип работы грелки основан на выделен...
Помощь каналу через систему Webmoney: Z944646532928...
процесс окисления меди парами ацетона с выделением большого количества тепла. Термоядерная печка ! Моя...
Опыт окисления меди в парах ацетона, беспламенное горение. ═════════════════════════════...
В данном видео показан принцип преобразования воды в топливо за счет температуры и взаимодействия с раскал...
http://latr.su Лаборатория Альтернативного Технического Развития THINK OUTSIDE THE BOX.
Каталитическая мультитопливная горелка мощностью 0,8-1 кВт(по паспорту). Тип катализатора - составной платин...
Грелка каталитическая — устройство предназначенное для индивидуального согревания человека за счёт бесп...
Каталитическое горение паров ацетона на медной проволоке - 2 http://chemistry-chemists.com/N5_2012/U1/ChemistryAndChemists_5_2012-U1-1.html.
Каталитическим горением топлива называется реакция окисления углеводородов в присутствии катализаторов....
Инструкция по сборке преобразователя напряжения http://crit1.ru/preobraz/ Комплекс уроков "Электричество" https://goo.gl/zYkFUT...
Обзор и тестирование каталитической грелки, сделано в СССР Использовал бензин для зажигалок, воняет очень,...
Самоочистка духовых шкафов Electrolux: 1. Пиролиз с аромафильтром - самый эффективный способ очистки. Аромафильт...
Помощь каналу через систему Webmoney: Z944646532928...
Сергей Сунчугашев о проекте Каталитическое отопление помещений.
Беспламенная (каталитическая) горелка на жидком топливе.
беспламенное горение древесных опилок на поверхности катализатора оксида хрома 3, полученого при разложе...
Газовый паяльник Dremel горит факелом. Для работы с насадками его нужно перевести в режим каталитического...
Каталитическое горение паров ацетона на медной проволоке - 1 http://chemistry-chemists.com/N5_2012/U1/ChemistryAndChemists_5_2012-U1-1.html.
527 от 22.03.2010 #Галилео #ГалилеоЭксперименты Выделение кислорода из перекиси водорода при помощи марганцовк...
Каталитическая реакция с выделением высокого тепловыделения. В реакцию вступают пары ацетона и медная...
В этом видео мы будем делать очень простой, но довольно эффектный опыт, который называется "Ацетоновый фона...
Эротическая демонстрация каталитического окисления спирта кислородом воздуха на меди.
В этом видео рассмотрено каталитическое окисление пропан-бутановой смеси. В результате данной реакции...
sua licenca do windows expira em breve xpadder 5.7 emulador de android para pc fraco pata de camelo das jogadoras de volei dani russo pelada como hackear um instagram codigo de ativacao do avast internet security videos de massinha play doh layout cv7 baixar placa de video virtual
debojj.net
