CC BY
102
УДК 541.128
О. И. Ахмеров
КИНЕТИКА ОКИСЛЕНИЯ ОКСИДА УГЛЕРОДА (II) НА ЖЕЛЕЗООКСИДНОМ КАТАЛИЗАТОРЕ
В работе исследована каталитическая активность оксида железа (III) в реакции окисления СО в зависимости от условий ведения процесса. Определены кинетические параметры процесса: константа скорости, энергия активации, время контакта. По результатам кинетических исследований установлено, что окисление оксида углерода (II) протекает в диффузионной области, то есть лимитирующей стадией процесса является стадия массопереноса.
В настоящее время актуальной является задача замены катализаторов очистки отходящих газов промышленности и выхлопных газов автотранспорта, где основным является оксид углерода (II), на основе благородных металлов на более дешёвые оксидные катализаторы, в частности каталитические системы на основе переходных металлов переменной валентности.
Катализаторы окисления оксида углерода (II) отличаются многообразием состава и используемых исходных соединений. До сих пор дискутируется вопрос о природе активного компонента катализаторов, а также механизме каталитической реакции.
Цель работы - исследование кинетики окисления оксида углерода (II) на железооксидном катализаторе в зависимости от условий ведения процесса (температура, состав газовоздушной смеси, объёмная скорость газа, объём загрузки катализатора и его фракционный состав).
Рассчитанные по экспериментальным данным значения энергии активации реакции составили около 28300 Дж/моль.
Анализ литературных данных показал, что при протекании реакции в диффузионной области значения энергий активации для различных каталитических систем находятся в пределах 9 - 45 кДж/моль, что вполне согласуется с полученными данными.
Влияние внешней диффузии проверяли, варьируя скорость подачи реагентов в реактор при постоянном времени контакта. Для того чтобы время контакта оставалось постоянным, необходимо проводить пропорциональное изменению скорости подачи газа и изменение толщины слоя катализатора.
В соответствии с этим проводились испытания при следующих скоростях подачи реагентов в реактор: 1,0 л/мин, 1,5 л/мин, 2,0 л/мин. При этом, соответственно изменялся объем загрузки катализатора. Экспериментальные данные представлены в таблицах 1, 2, 3.
Таблица 1 - Влияние скорости подачи реагентов на константу скорости реакции для расхода 1,0 л/мин
Время контакта, с 0,219
Объем загрузки, см3 8,83
Температура, °С 306 380
Степень окисления СО, % 83 90,75
Константа скорости, с"
9,70
Таблица 2 - Влияние скорости подачи реагентов на константу скорости реакции для расхода 1,5 л/мин
Время контакта, с 0,219
Объем загрузки, см3 13,425
Температура, °С 305 358
Степень окисления СО, % 74,3 91,71
Константа скорости, с"1 9,78
Таблица 3 - Влияние скорости подачи реагентов на константу скорости реакции для расхода 2,0 л/мин
Время контакта, с 0,219
Объем загрузки, см3 17,66
Температура, °С 260 307 352 453
Степень окисления СО, % 59,14 86,20 93,81 100
Константа скорости, с-1 9,84
В результате исследований в ряду скоростей 1,0 л/мин, 1,5 л/мин, 2,0 л/мин обнаружено повышение степени окисления оксида углерода (II) и константы скорости реакции, что свидетельствует о наличии внешнедиффузионного торможения.
Проверить влияние внутренней диффузии на измеряемую скорость процесса можно экспериментально, проводя измерения на различных размерах зерен катализатора.
Проводилось исследование двух фракций катализатора: 2,5 мм и 5 мм при прочих равных условиях проведения эксперимента (температура, время контакта, скорость подачи реагентов, начальная концентрация оксида углерода (II) оставались постоянными). Условия проведения процесса и экспериментальные данные представлены в таблицах 4, 5.
Таблица 4 - Влияние размера зерен катализатора на константу скорости реакции. Размер фракции 5мм
Время контакта, с 0,219
Объем загрузки, см3 13,425
Температура, °С 305 358
Степень окисления СО, % 83 91,71
Константа скорости, с"1 9,78
Уменьшение фракции катализатора приводит к увеличению степени окисления оксида углерода (II) и константы скорости реакции, что указывает на наличие внутридиффу-зионного торможения.
Таким образом, в результате исследований выявлено влияние на скорость процесса как внешнедиффузионного, так и внутридиффузионного торможения. По результатам кинетических расчетов можно сделать вывод, что внутренняя и внешняя диффузия оказывают примерно одинаковое влияние на скорость каталитического окисления оксида углерода (II).
Для определения влияния концентрации оксида углерода (II) на каталитическую активность, а также для установления порядка реакции была проведена серия экспериментов
Таблица 5 - Влияние размера зерен катализатора на константу скорости реакции. Размер фракции 2,5мм
Время контакта, с 0,219
Объем загрузки, см3 13,425
Температура, °С 251 305 358
Степень окисления СО, % 72,19 96,48 99,49
Константа скорости, с-1 9,93
с различным содержанием СО в газо-воздушной смеси. Условия проведения процесса и экспериментальные данные представлены в таблице 6.
Таблица 6 - Влияние начальной концентрации оксида углерода (II) на константу скорости
Время контакта, с 0,219
Температура, °С 307 301 300
Начальная концентрация СО, % 2,00 2,9 3,99
Константа скорости, с"1 15,308 15,517 15,634
Результаты исследований показали, что константа скорости, рассчитанная по кинетическому уравнению первого порядка, не зависит от концентрации СО в исходной газовой смеси, что позволяет высказать предположение о первом порядке каталитической реакции.
Экспериментальная часть
Каталитическое окисление оксида углерода (II) исследовалось на проточном реакторе при следующих условиях: температура в слое катализатора 250 - 750оС, объёмная скорость газа 0,5 - 2 л/мин, содержание оксида углерода (II) в газовоздушной смеси 1 - 4 %, катализатор - оксид железа (III).
© О. И. Ахмеров - канд. хим. наук, доц. каф. технологии неорганических веществ КГТУ.
