Pregunta: El sistema de catalizador de tres vías ("convertidor catalítico") juega un papel vital en la disminución de la contaminación de los gases de escape de los automóviles. El convertidor catalítico promueve tres reacciones deseadas que convierten los contaminantes CO, NOx (como el NO) e hidrocarburos (como el CH4) en compuestos menos dañinos .(1) CO + ½ O2 ->CO2

El sistema de catalizador de tres vías ("convertidor catalítico") juega un papel vital en la disminución de la contaminación de los gases de escape de los automóviles. El convertidor catalítico promueve tres reacciones deseadas que convierten los contaminantes CO, NOx (como el NO) e hidrocarburos (como el CH4) en compuestos menos dañinos

.(1) CO + ½ O2 ->CO2

(2) CH4 + 2O2->CO2 + 2H2O

(3) 2NO + 2CO -> N2 + 2CO2

Sin embargo, también puede ocurrir una reacción no deseada. Esta reacción produce NH3

(4) 5CO + 3H2O + 2NO ->2NH3 + 5CO2

El producto de combustión de un motor de combustión interna típico se envía a un convertidor catalítico. Suponga que este producto de combustión consta de 47 mol/s N2, 8,0 mol/s CO2, 9,0 mol/s H2O, 1,0 mol/s CO, 0,25 mol/s NO y 0,25 mol/s CH4. El contenido de oxígeno varía según la mezcla de aire y combustible del motor. Por ahora, trata esto como algo desconocido.

(a) Dibuje y etiquete completamente un diagrama de flujo para este proceso

(b) Escriba la ecuación de extensión de la reacción para cada especie involucrada en este sistema (sí, esto es mucho trabajo, pero es una buena práctica). Además, realice un análisis DoF de acuerdo con el método de extensión de la reacción. Se sugiere, pero no es obligatorio, que también practique el modelado de este sistema con el enfoque de equilibrio atómico.

(c) Cuando la mezcla de combustible alimentada al motor es “rica”, el producto de la combustión no contiene oxígeno (O2). Por lo tanto, no ingresa O2 al convertidor catalítico. ¿Cuál es el flujo molar esperado de CH4 en la corriente que sale del convertidor catalítico?

(d) Cuando la mezcla de combustible alimentada al motor es “pobre”, el producto de la combustión contiene oxígeno (O2). Aquí supondremos que el escape del motor contiene 2,0 mol/s de O2. Imagine que tenemos un sistema de monitoreo para medir el % en moles de CO, NO, CH4 y NH3 en la corriente que sale del convertidor catalítico. Determina si tienes suficiente información para resolver todas las incógnitas. Si encuentra que el sistema tiene solución, explique cómo resolvería todas las incógnitas, incluido el alcance de los valores de reacción, y la selectividad para la conversión de NO a N2, en relación con NH3. Si prefiere resolver usando valores numéricos reales, puede hacerlo. Puede usar 0,67 % mol de CO, 0,045 % mol de NO, 0,074 % mol de CH4 y 0,21 % mol de NH3.