Научная статья на тему 'Механизм и математическая модель процесса каталитического взаимодействия оксидов азота и аммиака'

Механизм и математическая модель процесса каталитического взаимодействия оксидов азота и аммиака Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

CC BY
374
47
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ОКСИДЫ АЗОТА / NITROGEN OXIDES / АММИАК / AMMONIA / НИТРАТ АММОНИЯ / AMMONIUM NITRATE / КАТАЛИЗАТОР / CATALYST / МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ / MATHEMATICAL MODEL

Аннотация научной статьи по химическим технологиям, автор научной работы — Жиляков В. В.

Получена математическая модель, которая может быть использована при разработке систем очистки отходящих газов промышленных предприятий от оксидов азота включающих как гомогенную, так и каталитические части.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Механизм и математическая модель процесса каталитического взаимодействия оксидов азота и аммиака»

УДК 66.003

В. В. Жиляков

МЕХАНИЗМ И МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА КАТАЛИТИЧЕСКОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ОКСИДОВ АЗОТА И АММИАКА

Ключевые слова: оксиды азота, аммиак, нитрат аммония, катализатор, математическая модель.

Получена математическая модель, которая может быть использована при разработке систем очистки отходящих газов промышленных предприятий от оксидов азота включающих как гомогенную, так и каталитические части.

Keywords: nitrogen oxides, ammonia, ammonium nitrate, a catalyst, a mathematical model.

A mathematical model that can be used in the development of flue gas cleaning systems of industrial enterprises from nitrogen oxides including both homogeneous and catalytic part.

Анализ литературы [1] и проведенные эксперименты показали, что реакция окислов азота с аммиаком на катализаторах протекает в кинетической области. Из опытов в интегральном реакторе рис.1 видно, что сорбция аммиака катализатором значительно сильнее сорбции оксидов азота, поэтому ЫН3 вытесняет ЫОх и занимает его место (после ввода аммиака начальная концентрация оксидов азота повышается).

P

Газовая фаза

Та тк Т-

Рис. 1 - Вытеснение оксидов азота с поверхности

катализатора аммиаком: Т^ - время начала подачи аммиака,Тд - время начала реакции

Таким образом, наиболее вероятным в этом случае является механизм Ридела-Эли [2], в котором предполагается, что хемосорбированная частица (в данном случае (ЫН3) реагирует с молекулой (ЫОх), налетающей непосредственно из газовой фазы или сорбированной в вандервальсовом слое.

Известно, что скорость реакции между оксидами азота и аммиаком есть функция концентрации кислорода до 0,5% 02. Для рассматриваемых процессов газоочистки содержание кислорода в смеси 15^20%02, следовательно, можно считать, что активную поверхность 8 разделяет между собой аммиак и промежуточный продукт реакции между оксидами азота и аммиаком - нитрат аммония. Концентрация последнего на поверхности катализатора может изменяться за счет сорбции ЫН4ЫО3 из газовой фазы.

Общая схема механизма процесса представлена на рис.2.

/

Рис. 2 - Схема механизма взаимодействия NОх и в присутствии катализатора

Адсорбированный на поверхности катализатора нитрат аммония находится в сорбционном равновесии на поверхности

= Sp. Остальная поверхность SN

занимается аммиаком.

В результате сорбции оксидов азота на поверхность, занятую аммиаком, происходит химическая реакция с образованием поверхностного комплекса [КН4М03]а&. Образующийся на поверхности катализатора адсорбированный комплекс [КН4М03]а^, разлагается, превращаясь в азот и воду, которые десорбируют в газовую фазу.

Математическая модель процесса

Обозначим концентрацию окислов азота в газовой фазе в точке Ъ С(Ъ, т). Эта концентрация изменяется за счет конвективного переноса окислов азота с газовым потоком и в результате реакции:

—— = —U--K, C SNH

дт —z 1 nh

(i)

где и - скорость газа; К - константа скорости реакции оксидов азота и аммиака.

Концентрация нитрата

\ЫН4ЫО3 ] (г, т) = А (г, т) изменяется

аммония за счет

Jp

конвективного переноса газовым потоком и „

результирующего потока сорбции-десорбции продукта реакции нитрата аммония:

5А _ 5А -— — U--Jp •

5т 5z p

(2)

Концентрация адсорбированного нитрата аммония [МИ 4 N0, \аС { г) = Р { г) изменяется за счет

реакции взаимодействия оксидов азота с аммиаком на поверхности катализатора, реакции разложения продукта реакции нитрата аммония, и за счет J -результирующего потока сорбции-десорбции

ЫИЛ N0,:

ЦТ — в k1CSNH3 — kP + Jp,

(3)

где к - константа скорости разложения нитрата аммония.

В - относительный стехиометрический коэффициент реакции оксидов азота с аммиаком.

Экспериментально установлено, что концентрация оксидов азота от времени не зависит, то есть процесс стационарен и можно записать:

дс

п 5А 5Р —Q -—0 и — — 0 •

5т 5т

(4)

С учетом условий стационарности уравнения (1) - (3) примут вид:

U— — —k1 c SNH dz 1 NH3

udA — —Jp

dz p

Jp — kP — в kiC Sn

(5)

Исключая J из системы уравнений (5),

обнаружим, что процесс описывается системой уравнений:

(6)

U— — —k1cSN dz 1 N

dA

U— — в k1cSNH — kP

dz H 1 NH3

Сорбционную способность катализатора по отношению к нитрату аммония охарактеризуем коэффициентом kp - средней емкостью поверхности катализатора по отношению к нитрату аммония:

kp — P (7)

Р sp

Учитывая, что Бж + Sp — S — const,

где S - общая поверхность катализатора, из (6) получим:

U— — — k cS dz

(

1 — -

P

S • kp

p /

П*

Введем обозначение: Р - максимально возможная концентрация Р при 8 р = £ . Система

(6) примет вид:

U— — —к, cS fl — P dz 1 I P*

udA ——pdc—kp

az dz

(8)

В дальнейшем произведение к18 будем обозначать к 8 . Вместо анализа распределения

параметров по длине слоя катализатора перейдем к рассматриваемым в теории гетерогенного катализа зависимостям от времени контакта г :

= Шг.

Неизвестную изотерму сорбционного равновесия нитрата аммония запишем в виде

ломаной (рис.3.) с параметрами С*Р и Ст , введя в

рассмотрение константу сорбционного равновесия:

к Р*.

Г А*

р*

А*

, Моль/м3

Рис. 3 - Изотермы сорбции нитрата аммония: 1 -изотерма Ленгмюра; 2 - изотерма Фрейндлиха; 3 - аппроксимация изотермы ломаной

Система (8) запишется в виде:

dc dr

— —kSc | 1 — -

(9)

^ — — — kP dr dr

P —

кГА, при А < А

т-1* л л *

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Р , при А > A

Полученная математическая модель может быть использована при разработке систем очистки отходящих газов промышленных предприятий от оксидов азота включающих как гомогенную [3,4], так и каталитические части.

Литература

1. Stringaro G.-P. Modellirung der Kinetik selektiven Katalytischen Reduktion von Stickoxid mit Ammoniak an einem oxidischen Katalysator.Diss.....Zurich.-1981.

2. Сеттерфилд Ч. Практический курс гетерогенного катализа. - М.:Мир.-1985.

3. Жиляков В.В., Исследование закономерностей протекания реакции двуокиси азота и аммиака в газовой фазе./ Вестник Казан. технол. ун-та. 2013. Т.16, С.68-71

4. Жиляков В.В., Пути построения математической модели процесса взаимодействия оксидов азота с аммиаком в присутствии катализатора/ Вестник Казан. технол. ун-та. 2014. Т.17 №18, С.37 -38.

© В. В. Жиляков - к. т. н., доцент каф. ТКМ КНИТУ, rami21@yandex.ru. © V. V. Zhilyakov - Cand. Tech.Sci., the associate professor of TKM KNRTU, rami21@yandex.ru.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.