Моделирование газофазных процессов, протекающих при гетерогенно-каталитическом восстановлении оксидов азота. Моделирование газофазных процессов, протекающих при гетерогенно-. Моделирование газофазных процессов, протекающих при гетерогеннокаталитическом восстановлении оксидов азота
 Скачать 0.98 Mb.
|
1 2
Как следует из таблицы 3, все три оксида даже при парциальном давлении 0,1013 МПа (в дымовых газах парциальное давление на три порядка меньше) и температуре более 220С находятся в газообразном состоянии. Оксид диазота и оксид азота – бесцветные, а диоксид азота окрашен в коричнево-красный цвет. Именно его присутствие в отходящих газах придает им красно-коричневое окрашивание. Оксид и диоксид азота обладают парамагнитными свойствами. Оксид азота и оксид диазота растворяются в воде без химического взаимодействия с ней, наименее растворим оксид азота. Его растворимость примерно равна растворимости воздуха. Оксид диазота растворяется в воде в количестве на полтора порядка больше. При растворении диоксида азота образуются азотистая и азотная кислоты [3]. Данные, представленные в таблице 4, соотнесены к парциальному давлению NO 0,1013 МПа. В дымовом газе это давление в 1000 раз меньше. Следовательно, в соответствие с законом Генри, растворимость газа в 1м3 воды при 200С составит не более 0,047 л (63 мг). Таблица 4. Растворимость оксидов азота в воде при различных температурах [3].
Все оксиды азота проявляют резко выраженные окислительные свойства, восстанавливаясь до азота, а в ряде случаев до гидроксиламина и аммиака. Жидкофазное восстановление окиси диазота протекает в растворах H2SO4 до азота, в присутствии катионов Sn (II) – до гидроксиламина, а Ti (III) – до аммиака. Оксид азота в кислых растворах восстанавливается ионами Сr (II) до гидроксиламина, а в нейтральных – до аммиака. Газофазное восстановление оксидов азота типичными реагентами-восстановителями (H2, CO, NH3, CH4) и другими органическими соединениями протекает необратимо при температурах 300-1500 К. Применение катализаторов значительно снижает температуру реакции до 250-5000С. Процесс восстановления оксидов азота, протекающий в присутствии кислорода называют селективным [3]. Токсическое воздействие оксидов азота на организм человека. При сгорании топлив выбрасываются в основном NO и NO2, которые суммарно обозначаются как NOx. Поскольку NO уже при комнатной температуре относительно легко окисляется кислородом до NO2, их влияние оценивают совместно. Кроме того, большинство методик измерения концентраций оксидов азота в газах сводится к определению NO2, для чего другие оксиды дополнительно окисляют, а суммарную концентрацию NOx приводят в расчете на NO2. Все оксиды азота физиологически активны и поэтому опасны для человека. Оксид диазота N2O (закись азота, “веселящий” газ) в больших концентрациях вызывает удушье. Монооксид азота NO – нервный яд; подобно СО он способен присоединяться к гемоглобину крови, образуя нестойкое нитрозосоединение, которое трансформируется в метгемоглобин, при этом Fe3+ переходит в Fe3+, не способный обратимо связывать кислород. Концентрация метгемоглобина в крови 60-70% считается летальной. Диоксид азота раздражает легкие и слизистые оболочки, в больших концентрациях вызывает отек легких, понижает кровяное давление [5]. Первичное воздействие оксидов азота на организм человека связано с образованием азотной и азотистой кислот при их контакте со слизистыми оболочками. Вторичное действие оксидов азота проявляется в образовании нитритов в крови, что приводит к нарушению сердечной деятельности. Уже при концентрации диоксида азота в атмосфере более 100 мкг/м3 увеличивается число респираторных заболеваний. Вероятно, подобный эффект связан с тем, что NO2 повышает восприимчивость к патогенным агентам, вызывающим эти заболевания. Имеются сведения о влиянии диоксида азота на продолжительность заболеваний [3]. Наряду с углеводородами оксиды азота под действием УФ-излучения вступают в ряд радикальных реакций и участвуют в образовании фотохимического смога, в состав которого входит озон, являющийся сильным раздражителем дыхательных путей. Кроме того, подвергаясь физическим и химическим превращениям в атмосфере, оксиды азота способствуют образованию “кислотных дождей” [5]. В настоящее время государственные стандарты чистоты воздуха отличаются, но все они разработаны с учетом Всемирной организации по вопросам здравоохранения при ООН (ВОЗ). В связи с тем, что вредное воздействие какого-либо вещества на организм человека прямо пропорцио-нально зависит от времени воздействия, нормативы по концентрациям токси-чных соединений относятся к определенным периодам времени. Предельно-допустимые концентрации оксидов азота (ПДК) России представлены в таблице 5. Таблица 5. Предельно-допустимые концентрации оксидов азота в России [3].
Таким образом, учитывая высокую токсичность и резко отрицательное воздействие оксидов азота на организм человека, важнейшей задачей является обезвреживание промышленных и выхлопных газов с целью сокращения выбросов NOx. 1.2. Методы по сокращению выбросов оксидов азотаСокращения выбросов токсичных соединений можно достичь с одной стороны – совершенствованием технологических процессов, а с другой – разработкой способов их уничтожения или уменьшения концентрации путем химической переработки в нетоксичные соединения. К технологическим методам по сокращению выбросов оксидов азота можно отнести следующие методы [6]: уменьшение температуры процесса горения топлива (за счет подачи воды или водяного пара в топку, а также снижения подогрева воздуха или рециркуляции дымовых газов); снижение концентрации окислителей в горячей смеси путем уменьшения избытка воздуха или применения ступенчатого сжигания; нетрадиционные методы сжигания (горение в кипящем слое или каталитическое сжигание). Химические способы очистки от оксидов азота промышленных и выхлопных газов подразделяются на [6]: сорбционные методы поглощения оксидов азота с использованием различных адсорбентов (цеолиты, кокс, водные растворы щелочей); окислительные методы, основанные на окислении NO в NO2 с последующим поглощением различными поглотителями; восстановительные методы, основанные на восстановлении NO до молекулярного N2. Их реализация возможна как без использования катализаторов (гомогенное селективное восстановление аммиаком), так и с их применением – каталитическое разложение оксидов азота на элементы и реагентное каталитическое восстановление. Наиболее перспективными и эффективными методами удаления оксидов азота в настоящий момент признаны каталитические методы. Прямое термическое разложение NOх протекает по реакциям (1-3) при температурах 800–1000С [18-36]: 2N2O 2N2 + O2 2NO N2 + O2 (3) 2NO2 N2 + 2O2 Наиболее экологически чистым способом очистки отходящих газов от оксидов азота является их разложение на азот и кислород по реакциям (1-3) на твердофазных катализаторах, т. к. этот метод не требует дополнительного введения восстановителя в зону реакции. Однако в литературе [10-11] отмечается, что применение этого метода на практике весьма проблематично из-за кинетических затруднений, возникающих в реакции конверсии NOх на молекулярный азот и кислород. Тем не менее изучение реакций каталитического разложения NOх представляет большой научный интерес. С точки зрения фундаментального катализа на основе исследования простейшей реакции (2) можно получить данные об предполагаемых стадиях более сложных процессов. 1.3. Каталитическое восстановление оксидов азота в присутствии кислорода и его механизмОткрытие процесса селективного каталитического восстановления NOx в присутствии избытка O2 имело огромное значение с точки зрения доказательства принципиальной возможности восстановления оксидов азота в окислительной атмосфере [113]. В последующее десятилетие количество публикаций, посвященных изучению СКВ NOx, неуклонно росло. Изучению активных центров на поверхности катализатора, механизмов и интермедиатов данных реакций с помощью методов ИК-спектроско-пии, ТПД, ТПР (термопрограммированная реакция), УФ-Вид, РФА (рентгеновская дифракция), РЭС (рентгеноэлектронная спектроскопия), EXAFS (спектроскопия тонкой структуры дальнего края рентгеновского поглощения), XANES (спектроскопия ближнего края рентгеновского поглощения), метода меченных атомов, ИК-Фурье (ИК-спектроскопия с фурье-преобразованием), посвящено значительное число работ [13, 23, 28, 35, 41, 55, 61, 68, 80, 81, 83, 84, 103, 114-156]. Степень изученности промежуточных соединений, элементарных стадий процесса различна. Несмотря на большое количество литературы по каталитическому превращению и восстановлению NOx единого мнения по этим вопросам до сих пор не сформировано. Не в полной мере установлен тип активных центров катализаторов, структура интермедиатов, роль кислорода и т.д. Каталитическое восстановление NOx восстановителями (реагентами) в присутствии О2 или воздуха в общем виде можно представить следующей схемой (4): NOх + В + O2 N2 + ВО + (1-у) O2 (4), где В – восстановитель, ВО – продукты превращения В; у - количество О2, израсходованного в реакции. Схема предусматривает расход В по двум направлениям (5) и (6): 1. Восстановитель расходуется на целевое восстановление NOx до N2, в результате чего образуется стехиометрическое количество ВО: NOх + В N2 + ВО(5) При этом количество свободного кислорода в процессе восстановления не меняется. 2. Восстановитель В частично окисляется О2 с образованием ВО: В + 1/2О2 ВО (6) Строго говоря, продукты окислительного превращения В до ВО в реакциях (5) и (6) могут быть различны. Следует отметить, что (6) является побочной по отношению к целевой реакции (5). В отсутствии (6) реакцию (5) принято называть селективным каталитическим восстановлением оксидов азота (СКВ NOx). В качестве катализаторов для данного процесса используют металлы платиновой группы, оксиды металлов переменной валентности, цеолиты. В последнее время одними из наиболее эффективных и перспективных катализаторов СКВ NOx считаются каталитические системы на основе столбчатых глин (PILC – pillared clays). Восстановителями NOx могут служить Н2, СО, а также различные углеводороды. 1.3.1. Восстановление NOx водородомВосстановление оксидов азота Н2 протекает при температуре 150-200С. В качестве катализаторов наиболее часто используют оксиды Cu, Ni, Сr и их смеси или Pt, Pd, Ru [37-43]. Однако водород, как восстановитель оксидов азота, не находит широкого применения из-за его высокой стоимости. Восстановление NOx, (например NO), может осуществляться либо до молекулярного азота (7): 2NO + 2H2 N2 + 2H2O (7), либо до аммиака (при избытке Н2) (8): NO + 5/2Н2 NН3 + Н2О (8) Природа носителя оказывает влияние на активность Au-содержащих катализаторов общей формулы Au/MOx/SiO2 и Au/MOx/Al2O3, где М=Сo, La, Ce в (7). В работе [38] отмечается, что размер частиц Au в Au/MOx/SiO2 больше, чем в Au/MOx/Al2O3, вследствие чего активность Au/MOx/SiO2 меньше Au/MOx/Al2O3. Оксиды Ce и La увеличивают селективность превращения NO в N2 [38]. Максимальная конверсия NO в реакции (7) зависит от типа катализатора и температуры. Так для Pt/Al2O3 - 50% при Т=140С, а для Pt/SiO2 - 75% при Т=90С. Добавление воды уменьшает конверсию NO до N2 [39]. При введении ионов Na+ в катализатор Pt/Al2O3 селективность превращения NO в N2 возрастает с 30 до 75%. При промотировании катализатора Na+ скорость реакции (7) увеличивается в 30 раз. Эффект промотирования очевидно связан с повышением хемосорбции NO с последующей диссоциацией его на Pt [40]. Изолированные ионы Cu2+ в Cu-содержащих цеолитах наиболее активны в восстановлении NOx водородом. Замена в цеолите H+ на Na+ увеличивает скорость восстановления меди [41]. В работе [42] доказано, что прокаливание катализатора CuO/SiO2 в диапазоне 673-1073К влияет на его активность и селективность в реакции (7). Авторами [43] изучалось восстановление водородом NOx на катализаторах перовскитного типа, имеющих брутто формулы La0,9 A0,1,BO3 (A = Ce, Eu; B = Mn, Co) и La0,8 Sr0,2BO3 (B=Mn, Fe, Co, Ni), наибольшую активность проявила структура состава La0,9 Ce0,1CoO3. 1.3.2. Восстановление NOx оксидом углеродаИзучение восстановления оксидов азота с помощью монооксида углерода представлено в работах [44-47]. Реакцию (9): 2NO + 2CO N2 + 2CO2 (9) проводят при 150-350С в присутствии катализаторов на основе оксидов Fe, Cu, Ni, Cr, Co или благородных металлов. Данное направление в экологическом катализе весьма перспективно, т. к. позволяет одновременно удалять из отходящих газов и СО и NOх. Кроме целевой (9), протекает также побочная реакции восстановления NO до N2O (10): 2NO + СО N2О + СО2 (10) В присутствии О2 и/или воздуха возможно протекание реакции (11): СO + О2 СО2 (11) Установлено, что повышение температуры прокаливания c 800 до 1500С увеличивает каталитичеcкую активность шпинели Cu-Cr-O нанесенной на алюмосиликат [44]. Способ приготовления катализатора также оказывает существенное воздействие на его активность. Образцы Rh/Al2O3, Pt/Al2O3, Rh/SiO2 и Pt/SiO2, приготовленные методом пропитки менее активны и менее устойчивы к спеканию в реакции (9), чем приготовленные методом золь-гель технологии [45]. Наибольшая скорость реакции (9) на Rh достигается при заполнении поверхности CO и NO в соотношении 1. Получение N2 протекает через промежуточную стадию образования интермедиатов [N-NO] [46]. Реакция (9) на Rh характеризуется двумя температурными областями. Одна из них – это область преимущественного протекания побочной реакции образования N2O, расположена ниже 635К. При этой температуре поверхность монокристалла в основном покрыта NO. Другая область преимущественного получения N2 располагается выше температуры 635К, в этом случае поверхность катализатора заполнена в основном СО. В опытах с мечеными атомами установлено, что N2О не является промежуточным соединением на маршруте восстановления NO монооксидом углерода в N2 [47]. 1.3.3. Восстановление NOx аммиакомКаталитическое восстановление NOx аммиаком (12-14): 3N2O + 2NH3 4N2 + 3H2O (12) 6NO + 4NH3 5N2 + 6H2O (13) 6NO2 + 8NH3 7N2 + 12H2O (14) проводят при 270-390С [48-71]. Использование в качестве восстановителя аммиака или его производных практикуется в основном для очистки от NOx промышленных газов и газов электростанций. Для повышения эффективности протекания процесса в окислительной атмосфере NH3 берут в избытке против стехиометрического количества. При этом NH3 частично расходуется на побочные реакции окисления: 2NН3 + 5/2О2 NО2 + 3Н2О (15) 2NН3 + 3/2О2 N2 + 3Н2О (16) Аммиак по токсичности сопоставим с NOx: ПДКNH3 = 20 мг/м3, ПДКNOx = 5 мг/м3. Поэтому восстановление NOx NН3 требует точной дозировки восстановителя. Кроме того, в избытке аммиака образуется сульфат аммония, который отрицательно влияет на производительность очистительных установок. Для удобства применения вместо газообразного NH3 используют аммиачную воду или другой N-содержащий восстановитель, например водный раствор карбамида [48]. В реакциях (12-14) используются катализаторы на основе Pt, оксидов Fe, Cr, Cu, V. Наиболее изученным и эффективным катализатором является V2O5/TiO2 [49,50]. В процессе восстановления NO аммиаком наблюдается образование N2O. Добавление воды при высоких температурах положительно влияет на активность и селективность при высоких температурах, поскольку тормозит окисление аммиака кислородом [53, 54-56]. Введение Cr2O3 в каталитическую систему V2O5/TiO2 также увеличивает активность селективного каталитического восстановления. Наиболее активен катализатор состава (2Cr2O3+6V2O5) /TiO2 [57]. Селективность реакции (13) по N2 зависит от типа носителя и увеличивается в следующем ряду: V2O5/TiO2 > V2O5/Al2O3 > V2O5/SiO2. С ростом температуры выход N2O увеличивается [58]. Восстановление NOx до N2 можно проводить аммиаком in situ. В этих случаях NH3 поступает в зону реакции в результате десорбции из цеолита, на котором он был предварительно аккумулирован, или при термическом разложении (NH3) 3PW12O40. Недостаток предложенного метода – процесс некаталитический, восстановление завершается по исчерпанию ресурса NH3 [60]. Катализаторы Ме/ZSM-5, приготовленные пропиткой, в реакции (13) образуют следующий ряд активности Fe/ZSM-5 Cr/ZSM-5 < Cu/ZSM-5 [62]. Используются также каталитические системы на основе структурированных глин (PILC) [69-71]. 1.3.4. Восстановление NOx углеводородамиНаиболее часто в качестве восстановителей используют метан - CH4 (17-19): 4N2O + CH4 4N2 + CO2 + 2H2O (17) 4NO + CH4 2N2 + CO2 + 2H2O (18) 2NO2 + CH4 N2 + CO2 + 2H2O (19) пропан - C3H8 (20-22): 10N2O + C3H8 10N2 + 3CO2 + 4H2O (20) 10NO + C3H8 5N2 + 3CO2 + 4H2O (21) 10NO2 + 2C3H8 5N2 + 6CO2 + 8H2O (22) и пропен - C3H6 (23-25): 9N2O + C3H6 9N2 + 3CO2 + 3H2O (23) 18NO + 2C3H6 9N2 + 6CO2 + 6H2O (24) 18NO2 + 4C3H6 9N2 + 12CO2 + 12H2O (25) [72-99]. Активность углеводородов в реакции восстановления оксидов азота определяется их молекулярной массой и строением. Большей реакционной способностью обладают углеводороды с большим числом атомов углерода в цепи молекулы. Углеводороды с одинаковым числом атомов обычно располагают в следующий ряд активности: алкины > алкены > ароматические углеводороды > алканы Практический интерес представляют, прежде всего, те катализаторы, которые активны лишь в реакциях СКВ (17-25) или те, в присутствии которых протекание побочной реакции (26) минимально: СnHm + (n+ m/4) O2 nCO2 + m/2H2O (26) Традиционными каталитическими системами в реакциях (17-25) являются благородные металлы, оксиды переходных металлов и цеолиты, перспективным также считается новый класс нанокристаллических катализаторов, синтезированных на основе столбчатых глин, проявляющих высокую активность и гидротермическую устойчивость в процессах СКВ NOx. Реакции (17-25) протекают преимущественно в температурном интервале 200-600С [72]. 1.3.4.1. МетанИсследования процессов восстановления оксидов азота метаном представлено в [73-81]. Катализаторы состава Ga2O3/Al2O3, Ga2O3/Al2O3+Al2O3/Ga2O3, Ga/ZSM-5+Ga2O3 активны в (18) при наличии в исходной газовой смеси 1% O2. Катализатор Ga2O3/Al2O3 проявляет максимальную активность при содержании Ga2O3 30 мас.% [73]. В присутствии мелкодисперсного La2O3 нанесенного на Al2O3 скорость реакции (18) в 1.6. раза больше, чем на Co/ZSM-5 [74,75]. Катализатор Pt0,5Co2,0/морденит при 500С, объемной скорости газовой смеси 105 ч-1 содержащей О2 (2%) и CH4/NO = 3 обеспечивает в (18) 60% конверсию NO [76]. На смеси состава (в%): NO=0.1; CH4=0.1; O2=2.0 и H2O=5.0 были достигнуты следующие значения средних удельных скоростей реакции для Pt,Co/Fer, Pt,Co/MOR, Pt,Co/ZSM-5 и Pt,Co/Al2O3 соответственно 16.510-4, 13.010-4, 4.310-4 и 0.510-4 (ммоль NO/ммоль Мес). Активными в катализе являются ионы Pt2+ и Со2+ [77]. Механические смеси Co/MOR и Pt/MOR активнее каждого из катализаторов в отдельности [78]. На палладий-циркониевом катализаторе при 620-770К и атмосферном давлении наблюдается практически полное превращение NO по реакции (18) в N2. Введение Na+ усиливает хемосорбцию и диссоциацию NO [79]. При нагреве Co/ZSM-5 наблюдается деалюминирование носителя, приводящее к изменению координации ионов Co2+, и активность катализатора снижается. Промотирование катализатора ионами La3+ позволяет стабилизировать каталитическую активность [80]. Установлено, что способ приготовления оказывает воздействие на свойства катализатора в реакции (18). Образцы катализаторов на основе Pd/H-ZSM-5, приготовленные ионным обменом из раствора, пропиткой, сочетанием пропитки и ионного обмена, сублимацией, твердотельным ионным обменом проявляют различную активность. Так при температуре < 425С наибольшей активностью обладает образец, приготовленный сублимацией; при температуре > 425С – ионным обменом из раствора [81]. 1.3.4.2. ПропанПропан является весьма эффективным восстановителем. Исследования процессов СКВ NOx пропаном представлены в работах [82-89]. Кислород при Т=200-300С способствует восстановлению NO (900 млн-1) в присутствии смеси оксидов Mn и Zr [82]. Катализатор CuO/Al2O3, приготовленный ионным обменом и пропиткой, исследовали в реакции восстановления NO. Более активным оказался ионнообменный образец, обеспечивающий 30% конверсию NO при 823К. Вероятно, что активными центрами в реакции являются изолированные ионы Cu2+. На катализаторе, приготовленном пропиткой, медь в основном присутствует в виде маленьких кластеров CuO [83]. На Cu содержащих цеолитных катализаторах активными центрами для реакции C3H8+NO являются ионы Cun+, в то время как СuO – активен для реакции C3H8+O2. В процессе исследования катализаторов методами ИК-спектроскопии, ТПВ (термопрограмированное восстановление) было зафиксировано образование Cu2+-O2--Cu2+ [84-85,88]. Изучена зависимость активности катализатора от размера пор носителя (d<3, 3.5, 8.8, 22.5. нм) на примере 1.5Pt/SiO2, на модельной смеси газа (млн-1): NO - 500, С3H6 - 175, C3H8 - 175, CO - 350, а также 6% O2, 10% CO2, 12% H2O. Установлено, что с увеличением диаметра при температурах 150-550С конверсия NO растет, а при d < 3 нм наблюдается спекание [86]. Приготовленные методом сублимации Fe-содержащие образцы образуют следующий ряд активности: Fe/BEA>Fe/ЦШП, Fe/Fer>Fe/MOR, Fe/Y. Было найдено, что активность зависит от геометрии пор. Комбинация Fe/ЦШП+Fe/Fer оказалась наиболее эффективной. [87]. На селективность реакции (21) в присутствии O2 на H/ZSM-5 сильно влияет соотношение NO/C3H8 в газовой смеси. При соотношении NO/C3H8>1 основной реакцией является окисление NO до NO2, при этом незначительное количество NO2 реагирует с C3H8. В присутствии кислорода при NO/C3H8=1 NO селективно восстанавливается пропаном до N2 [89]. 1.3.4.3. ПропенПропен эффективен как восстановитель NOx в присутствии катализаторов различного состава [73,90-99]. При использовании в качестве восстановителей пропана или пропена Ga2O3/Al2O3 более активен, чем цеолитный катализатор, а при температурах выше 723К достигается полное восстановление NO до молекулярного азота [73]. В реакции (24) Ga - и In/Al2O3, более активны, чем Со/Al2O3, так как ускоряют окисление NO. При добавлении Mn2O3 к La0.59Sr0.39/Al2O3 [90] и 5Mn3O4 к Ga, In/Al2O3 [91] активность катализаторов увеличилась. Так в присутствии последнего образца конверсия NO увеличилась с 58% до 84%. Оксид марганца увеличивает активность катализатора в реакции окисления NO. Для смеси Au/Al2O3+ 5Mn2O3 при 573К конверсия NO составила 98% [92]. Способ приготовления катализатора оказывает влияние на активность. Так катализатор Ga2O3-Al2O3, приготовленный по методу золь-геля более активен, чем пропиточный катализатор [93]. Катализаторы Ag/Al2O3 [94] и 1-2Pt/Al2O3 [95], приготовленные с использованием золь-гель технологии обладают большей селективностью, чем приготовленные с использованием техники пропитки. Кроме того, такой катализатор устойчивее к высоким температурам и действию SO2. При увеличении содержания Cu от 5 до 15% в Cu/Al2O3, полученного различными способами (ксерогель, пропитка, соосаждение, выпаривание), конверсия NO снижается. Наибольшую активность в отсутствии Н2О проявил пропиточный катализатор. В присутствии 20% Н2О – ксерогельный [96]. Добавление Na+ к Pd, нанесенному на оксидный иттрий-циркониевый носитель, увеличивает его селективность на 20% (с 75% до 95%) [97]. Промотирование Rh/Al2O3 натрием приводит к 90% селективности вместо 5%. При 375С скорость реакции увеличивается в 3 раза. Однако, при содержании Na+ выше оптимального значения происходит отравление катализатора [98]. Реакция (24) была изучена на Се-содержащих катализаторах в присутствии О2. Скорость образования N2 зависит от носителя: Ce/ZSM-5>Ce/MOR>Ce/Y>Ce/SiO2. Скорость окисления NO до NO2 уменьшается в следующем ряду: Ce/MOR > Ce/ZSM-5> Ce/Y>Ce/SiO2 [99]. 1.3.4.4. Другие углеводородыПомимо метана, пропана, пропена для СКВ могут быть использованы углеводороды другого строения и молекулярной массы [19, 88, 100-107]. Например, этилен в реакции (27) в присутствии Cu/ZSM-5 эффективно ведет восстановление NO до N2 [100]: С2H4 + 6NO = 3N2 + 2CO2 + 2H2O (27) В [88,101,102] изучена зависимость конверсии NO от размера пор Cu-содержащих цеолитов. В случае этилена и 2,2-диметилбутана конверсия NO контролируется размером пор цеолита. СКВ NO высшими углеводородами ограничивается внутренней диффузией. При изучении реакции (27) на 8Cu/SiO2-Al2O3 было найдено, что максимум конверсии NO не совпадает с максимумом конверсии этилена [103]. По активности восстановления NO в реакции (27) серию образцов 5%Ru-, Rh-, Pd-, Pt/-Al2O3 в бескислородной среде расположили в следующем порядке: Pt Использование смеси Pt/ЦШП+Zn/ЦШП вместо Pt/ЦШП при 573К увеличивает конверсию NO с 6 до 54% [104]. В качестве восстановителя NOx n-C8H18 активен Ag/Al2O3. Так, конверсия NO на Ag/Al2O3 при 450С и 1,5*104 ч-1 составляет 75%, при 7*104 ч-1 – 45%. Для повышения устойчивости к Н2О катализатор промотируют оксидами молибдена и вольфрама, а также платиной [105]. Конверсия NO при 330С на Cu, нанесенной на мезоуглеродные микропленки (Sуд 3200 м2/г), в 6 раз больше, чем на Cu/АУ. С увеличением температуры конверсия NO падает, так как начинают протекать реакции диспропорционирования NO [106]. В присутствии Pt/Al2O3 NO эффективно восстанавливается сажей при 500С в газовой фазе, содержащей кислород [107]. 1.3.5. Восстановление NOx кислородсодержащими соединениямиИз кислородсодержащих производных углеводородов в реакции восстановления NOx наиболее эффективны метиловый и этиловый спирты, а также диметиловый эфир [108-112]. При восстановлении NO О-содержащими соединениями протекают следующие реакции: 6NO + 2CH3OH 3N2 + 2CO2 + 4H2O (28) 6NO + C2H5OH 3N2 + 2CO2 + 3H2O (29) 6NO + CH3OCH3 3N2 + 2CO2 + 3H2O (30) В реакции (29) CuSO4/TiO2 оказался селективнее, чем Ag/Al2O3. Смесь CuSO4/TiO2+Ag/Al2O3+Pt/TiO2 сохраняет свою активность даже в присутствии воды [108]. Диметиловый эфир восстанавливает NO в присутствии низкопроцентных Pd-катализаторов. По активности катализаторы можно расположить в ряд: 3Ag,Pd0.01/MOR > 3Ag,Pd0.1/MOR > 3Ag, Pd1/MOR [109]. При температурах 250-500С в присутствии кислорода в реакциях (28-30) катализаторы образуют следующий ряд активности MoO3/Al2O3 >V2O5/Al2O3 > -Al2O3 [110,111]. Восстановление NOx было изучено на Ag-содержащих катализаторах. Был предложен следующий ряд активности восстановителей: метанол<этанол<2-пропанол, ацетон [112]. 1.3.6. Особенности процесса каталитического восстановления оксидов азота и требования к используемым катализаторамОсновной проблемой данного процесса является то, что восстановление оксидов азота необходимо проводить в присутствии большого избытка конкурирующего окислителя – молекулярного кислорода. В реальных выбросах концентрация оксидов азота составляет сотни миллионных долей, тогда как содержание кислорода находится на уровне процентов. Еще одной трудностью является большая нагрузка на катализатор по очищаемой газовой смеси (до 200000 обратных часов), что приводит к малым временам контакта. Принимая во внимание эти особенности, сформулируем основные требования к катализаторам для данного процесса: высокая активностью и селективность (даже при температурах ниже 3000С), устойчивость по отношению к гидротермальной обработке вплоть до 700-8000С, механическая прочность; низкое гидродинамическое сопротивление, стойкость к воздействию H2O, SO2 и других примесей, невысокая стоимость, длительный срок службы и др. На данный момент известны следующие типы каталитических систем, активные в реакции каталитического восстановления NOx: металлы платиновой группы (Pd, Pt, Rh и другие): А) поликристаллы, Б) монокристаллы; Ме/ZSM-5 (где Ме = Н, Cu, Co, Fe, другие); цеолиты иных типов; оксиды металлов; перовскиты; гетерополикислоты; углерод - и графитсодержащие материалы, - столбчатые глины (pillared clays – PILC). Всем вышеизложенным требованиям отвечают также катализаторы блочного типа, также именуемые иногда "пчелиными сотами". Эти катализаторы относятся к типу так называемых структурированных катализаторов, одновременно удовлетворяют многим весьма специфичным требованиям, наряду с упоминавшимися выше. К ним относятся: интенсивный массообмен; большое отношение поверхности к объему; Поэтому в последнее десятилетие для процесса восстановления оксида азота все более широкое распространение получают катализаторы блочного типа. Однако они все еще принадлежат к числу наименее изученных. П     ри анализе каталитических процессов проводимых на блочных катализаторах (см рис1) необходимо учитывать целый ряд диффузионных процессов, связанных с расположением катализатора на стенках прямых каналов, по которым двигается газовый поток. Рис1. Движение газового потока в монолитном катализаторе. Чтобы более детально изучить процесс на блочных катализаторах, имеет смысл воспользоваться моделированием химических процессов. 1.4. Математическое моделирование химических процессовВ прошедшее десятилетие было предпринято очень много попыток описать математически процессы, протекающие при восстановлении оксида азота. В частности, при помощи математических моделей изучались эффекты массопереноса на блочном катализаторе. Была разработана двухмерная математическую модель для движения газового потока в слое катализатора, в которой особое внимание уделялось таким параметрам, как скорость движения потока, а, следовательно, и режим течения газового потока, диаметр монолитного канала, коэффициент диффузии и скорость химической реакции. Адекватность предложенной модели была проверена путем сравнения расчетных данных с экспериментальными. Сравнение показало, что и внутре-, и внешнедиффузионные ограничения должны приниматься во внимание, особенно при высоких температурах. Работы этих ученых показали, что математическое моделирование процессов является очень перспективным и достаточно точным методом изучения химических процессов вообще и процессов восстановления оксидов азота в частности. Математическая модель определяется лимитирующей стадией процесса. В случае, когда лимитирующей стадией является химическая реакция, математическая модель будет включать в себя дифференциальные уравнения первого порядка, описывающие изменение концентрации каждого вещества во времени:  где [x] – концентрация интересующего нас вещества, t – время, rx – скорость изменения концентрации данного вещества во времени, имеющая, следующий вид:   , где - предэкспоненциальный множитель, энергия активации процесса,R – универсальная газовая постоянная, С – концентрации реагентов m, n – порядок реакции по веществам a и b соответственно. В данной работе все порядки приняты равными единице. Если же лимитирующей стадией процесса является внутренняя или внешняя диффузия, математическая модель будет состоять из дифференциальных уравнений второго порядка. В эти уравнения входят также такие параметры, как скорость движения потока, размер пор катализатора, коэффициент диффузии. Такие зависимости позволяют определить концентрацию вещества в зависимости от длины реактора и расстояния от его оси. Вид этих уравнений представлен ниже. Для нахождения концентрации вещества в потоке:  Для нахождения концентрации вещества на поверхности и внутри катализатора: Скорость реакции разложения оксида азота описывается при помощи кинетической модели по механизму Лэнгмюра-Хиншельвуда:  Перечень символов:  - концентрация в потоке;  - концентрация в твердой фазе (на поверхности катализатора и внутри его пор;  - коэффициент эффективной диффузии; r – радиальная координата;  - коэффициент молекулярной диффузии; k – константа скорости ra – скорость реакции; Z – аксиальная координата. U – скорость газового потока; 1.5. Лимитирующие стадии гетерогенного каталитического процесса. Как известно, у гетерогенной каталитической реакции может быть несколько лимитирующих стадий. Лимитирующей стадией может являться: Внешняя диффузия реагентов или продуктов реакции. В этом случае скорость процесса будет определяться скоростью, с которой частицы реагентов из ядра газового потока будут попадать на поверхность катализатора или тем, насколько быстро образовавшиеся частицы будут уходить с поверхности катализатора в ядро газового потока. Внутренняя диффузия реагентов или продуктов реакции. В этом случае скорость процесса определяется тем, насколько быстро молекулы реагента проникают в поры катализатора или же тем, как быстро молекулы продукта реакции освобождают пространство пор. Адсорбция или же десорбция на поверхности катализатора. В такой ситуации скорость процесса будет определяться тем, насколько быстро происходит насыщение активных центров катализатора молекулами веществ или насколько быстро десорбируются полученные вещества с поверхности катализатора. Непосредственно химическая реакция – в этом случае скорость процесса определяется скоростью взаимодействия веществ активных центрах катализатора. 1.6. Радикально-цепные процессыВ литературе существует ряд работ, показывающих, что большинство реальных химических реакций являются сложными и идут через посредство активных промежуточных продуктов. Реакция между двумя стабильными молекулами требует большой энергии активации. Поэтому скорость такой реакции мала. Реально наблюдаемые нами реакции идут обычно "окольными" путями, позволяющими обойти этот высокий энергетический барьер. В случае гомогенных реакций первой стадией является обычно образование из исходных веществ тех или иных активных промежуточных продуктов. Природа этих продуктов в настоящее время еще недостаточно хорошо изучена, но, надо полагать, она может быть различной. Во многих случаях роль активных промежуточных продуктов, несомненно, играют свободные радикалы или даже свободные атомы. В других случаях это могут быть и довольно сложные и относительно стабильные молекулы, обладающие, однако, по тем или иным причинам, повышенной реакционной способностью, например, органические перекиси. Активные промежуточные продукты, реагируя с исходными веществами, переводят их в конечные продукты реакции. Эти процессы требуют сравнительно малой энергии активации (особенно когда активными продуктами являются свободные радикалы или атомы) и идут с большей скоростью. Но первичное образование активных продуктов из стабильных исходных молекул требует большой энергии активации, и поэтому с большой скоростью проходить не может. Для того чтобы реакция посредством активных продуктов могла протекать достаточно быстро, необходимо, чтобы активные продукты регенерировались при реакции, т.е. чтобы при взаимодействии активных продуктов с исходными веществами получались не только стабильные конечные продукты реакции, но и новые молекулы активных промежуточных продуктов. Такие реакции, в которых имеет место регенерация активных промежуточных продуктов, называются цепными(3, стр 17) Как было установлено Семеновым, Хиншельвудом и др., большинство реальных гомогенных сложных реакций являются цепными. Обозначим концентрацию активного продукта как x. Изменение этой величины со временем для цепных реакций подчиняется следующему кинетическому уравнению:  где no – скорость зарождения цепей; f – константа скорости процесса разветвления цепей (в общем случае не совпадает с общепринятым понятием константы скорости элементарной реакции g - константа скорости обрыва цепей. Под зарождением цепей подразумевают начальный процесс образования продукта из исходных веществ, под разветвлением цепей – процесс, в котором одна молекула активного продукта, реагируя с исходными веществами, вызывает образование двух или нескольких молекул активного продукта; под обрывом цепей – процесс, при котором активный продукт безвозвратно уничтожается. 1.7. ЗаключениеАктуальность проблем очистки газовых выбросов от оксидов азота подтверждается значительным количеством тематических публикаций. Из литературных данных видно, что интерес исследователей к этой проблеме не угасает. Наиболее перспективными каталитическими методами удаления оксидов азота являются процессы селективного каталитического восстановления NOx с использованием в качестве восстановителей аммиака и углеводородов. Проблема очистки газовых выбросов от NOх газов дизельных двигателей, в которых сгорание производится на “бедных” смесях, содержащих значительный избыток кислорода до сих пор не решена, т. к. в таких смесях оксиды азота обычно подвергаются окислению, а не восстановлению. Наиболее эффективными катализаторами являются катализаторы блочного типа. Однако процессы, происходящие на таких катализаторах, по-прежнему изучены слабо. Математическое моделирование дает возможность более детально рассмотреть механизм данного процесса, оценить влияние различных стадий, а также параметров химического процесса на итоговую конверсию оксида азота, сделать предположения об условиях, в которых целесообразно будет проведение процесса. 2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И ПОСТРОЕНИЕ МОДЕЛИ. 2.1. Экспериментальные данные. С  уществуют экспериментальные данные, которые нельзя объяснить влиянием диффузии (рис2). Р Температура o C ис 2. Зависимость конверсии оксида азота от температуры. На блочном катализаторе в области низких температур конверсия больше, чем на гранулированном. Гранулированный катализатор обладает большей свободной поверхностью, а, следовательно, диффузия должна быть интенсивнее, а следовательно, и конверсия выше. Значит, определяющим фактором является не диффузия, а химизм процесса. Существуют работы …., в которых исследуется влияние свободной поверхности катализатора на конверсию оксида азота (рис 3). Существуют также экспериментальные данные, ясно указывающие на то, что конверсия оксида азота линейно уменьшается с ростом удельной поверхности катализатора.   Рис 3. Зависимость конверсии оксида азота от площади катализатора. Учитывая наше допущение о том, что процесс восстановления оксида азота является радикальным, логично предположить, что: скорость продолжения цепи прямо пропорциональна свободному объему катализатора, так как с увеличением свободного объема катализатора увеличивается число образовавшихся в газовой фазе радикалов; скорость обрыва цепи пропорциональна доле свободной поверхности, так как с увеличением свободной поверхности катализатора все больше радикалов остается на ней, не участвуя в газофазном процессе. 2.2. Формулировка основных допущенийСхема рассматриваемой реакции: NO + CxHy  N2 + CO2Постадийно: CxHy + O2  +  (1) + NO N2 + CO2 (2) + O2 CO2 (3) Были сформулированы основные допущения, на основании которых создавалась математическая модель данного процесса (1,). Лимитирующей стадией является химическая реакция. Скорости изменения концентрации веществ описываются дифференциальными уравнениями первого порядка. Реакция протекает с образованием свободных радикалов. Радикалы реагируют с исходными веществами, переводя их в конечные продукты. Реакции с участием радикалов протекают по механизму, предложенному Н.Н. Семеновым. Скорость роста цепи пропорциональна доле свободного объема катализатора Скорость обрыва цепи пропорциональна доле свободной поверхности катализатора. 2.3. Составление математической моделиСоставленная математическая модель процесса приведена ниже.    г  де  - скорость первой реакции, т. е =  Окончательное выражение (с учетом радикальных процессов) для   На основании составленной таким образом модели в вычислительной среде Matlab была написана программа, позволяющая отслеживать изменения интересующих нас концентраций в зависимости от двух параметров – температуры и времени. Программа решает составленные уравнения методом Рунге-Кутта четвертого порядка, результат выводится в виде графических зависимостей. Конверсия каждого вещества, участвующего в процессе, представляется как функция от выбранного параметра – времени пребывания или температуры. Результаты и их обсуждениеВлияние энергии активации реакции образования углеводородного радикала на конверсию NO. Исходными данными для процесса образования углеводородного радикала являлись термодинамические параметры реакции отрыва протона от метана, так как от остальных углеводородов протон отщепить энергетически существенно легче. Следовательно, уменьшая энергию активации, мы фактически исследуем влияние на протекание процесса замещения восстановителя в реакции восстановления оксида азота на его гомолог. Это позволит подобрать оптимальный восстановитель. Известно, что чем больше молекулярная масса парафина, тем меньшая энергия требуется для отрыва протона от него. Error: Reference source not found  Рис.4 Зависимость конверсии оксида азота от температуры при различных энергиях активации процесса образования углеводородного радикала. На рис.4 видно, что с уменьшением энергии активации максимум конверсии смещается в область низких температур Этот факт соответствует экспериментальным данным, и, следовательно, подтверждает физический смысл полученной модели. 3.2. Влияние времени контакта на конверсию NOError: Reference source not found  Рис 5. Зависимость конверсии NO от температуры при различных временах пребывания. На рис.3 показана зависимость конверсии оксида от температуры процесса. Данная диаграмма иллюстрирует, как меняется температурная зависимость конверсии оксида азота при варьировании временах пребывания, т.е. при варьировании скорости потока. Скорости при восстановлении оксида азота достаточно велики и могут достигать 100000 обратных часов. При времени контактирования равном 0,01 с наблюдается полное восстановление оксида азота уже при 530 К. Дальнейшее увеличение времени контактирования приведет к полному восстановлению оксида азота при еще более низких температурах. Например, при времени контактирования 0,02 с оксид азота уже полностью восстанавливается при 460 K. 3.3. Влияние отношения свободного объема к поверхности катализатора на конверсию NOError: Reference source not found  Рис 6. Зависимость конверсии NO от температуры при различных соотношениях свободного объема катализатора к поверхности Рис.6 иллюстрирует влияние соотношения свободного объема и поверхности катализатора на температурную зависимость конверсии оксида азота. Отчетливо видно, что чем больше доля свободного объема катализатора, тем большее конверсия оксида. Объясняется это тем фактом, что чем больше доля свободного объема, тем больше образуется активных частиц, взаимодействующих с оксидом азота. С увеличением же доли свободной поверхности количество активных частиц, взаимодействующих с оксидом азота, падает, так как возрастает число их соударений с поверхностью катализатора. Резкий скачок конверсии NO связан с возрастанием концентрации углеводородного радикала. Уменьшение доли свободного объема приведет к тому, что максимум на конверсионной кривой перестанет смещаться, так как при значении соотношения объема к поверхности меньше 0.8 свободный объем уже существенного влияния не оказывает. При увеличении же доли свободного объема конверсия при одной и той же температуре будет увеличиваться 4. Выводы- Разработана кинетическая модель процесса восстановления оксида азота с учетом процессов, протекающих в газовой фазе. - Показано соответствие результатов полученных при использовании модели экспериментальным данным. Установлено, что конверсия оксида азота тем больше, чем больше доля свободного объема катализатора, что свидетельствует о радикальной природе данного процесса. 1 2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Н0обр, Дж/(моль*К)