新型催化剂上甲苯_丙烯_一氧化碳催化燃烧反应动力学_应卫勇

由空气压缩机来的空气经质量流量计控制流量 后通过蒸发器 , 将甲苯带入反应系统 , 控制空气流 量和蒸发器的温度 , 可定量控制进入反应器的流量 和反应物的浓度. 丙烯 、一氧化碳分别加氮气配制 成钢瓶气. 钢瓶氮气用来吹扫 、升温 、降温. 反应 器为 <18 mm ×2 mm 耐高温石英管 , 温度由热电偶 测量 , 程 序 升 温 控 制. 将 制 成 的 催 化 剂 剪 成
Fig. 2 Experimental data for conversion of toluene or propylene or carbon monoxide at different space velocities
Fig. 3 Comparison of calculated values wit h experimental data of conversions for mixed compounds ( v sp = 10000 h - 1 , y tol = 3 . 2 ×10 - 4 , ypro = 2 . 5 ×10 - 4 , yco = 0 . 01)
1～1. 5 mm见方的小块 , 用石英砂稀释后 , 装入反 应器. 反应前后的气体 , 甲苯 、丙烯用带氢火焰检 测器的气相色谱仪分析 , 一氧化碳采用红外分析.
实验条件如下 : 流量 225～450 ml·min - 1 , 催 化剂装填量 0. 248 g , 按制成波纹状筐体计算 , 体 积 1. 35 ml , 此时空速为 10000～20000 h - 1 , 反应 器入口甲苯 、丙烯和一氧化碳在空气中的摩尔分率 分 别为2 ×10 - 4 ～4 ×10 - 4 、2 ×10 - 4 ～5 ×10 - 4 和 0. 005～0. 01. 在上述条件下得到单组分甲苯 、丙 烯 、CO 催化燃烧实验结果 , 分别见图 1 、图 2. 甲 苯 、丙烯 、CO 混合物催化燃烧实验结果见图 3.
□ exp ; ● cal
化率降低了0. 03. 由此可以看出混合物各组分之间 存在相互影响. 这是因为在催化剂的活性位上存在 甲苯 、丙烯 、CO 之间的竞争吸附以及与氧的竞争 反应 , 使得在相同的反应温度下 , 单组分转化率高 于混合物中某组分的转化率. Barresi 等[5 ]研究了铂 催化剂上苯与苯乙烯的催化燃烧 , 苯对苯乙烯的影 响小 , 而苯乙烯强烈抑制苯的催化燃烧反应.
举例比较多组分混合物催化燃烧与单组分催化 燃烧 的 实 验 数 据. 甲 苯 单 组 分 催 化 燃 烧 , 空 速 10000 h - 1 , 浓度 4 ×10 - 4 , 当温度 200 ℃时 , 转化 率约0. 95 ; 而在混合物催化燃烧时 , 甲苯浓度为 3. 2 ×10 - 4 , 温度 200 ℃时 , 转化率0. 77 ; 混合物 中甲苯浓度低了 , 反应温度相同 , 甲苯转化率降 低. 丙烯单组分催化燃烧 , 空速为 10000 h - 1 , 浓 度 5 ×10 - 4 , 当温度 140 ℃时 , 转化率约0. 88 ; 而 在混合物催化燃烧时 , 丙烯浓度 2. 5 ×10 - 4 , 当温 度 200 ℃时 , 转化率为0. 85 ; 丙烯浓度降低 , 反应 温度提高 , 丙烯转化率反而下降. 同样 , 对于一氧 化碳单组分催化燃烧 , 空速 10000 h - 1 , 浓 度 为 0. 01 , 反应温度 160 ℃时 , 转化率约0. 95 ; 而混合 物催 化 燃 烧 , 当 反 应 温 度 200 ℃时 , 转 化 率 为 0. 92 ; 反应温度从 160 ℃升到 200 ℃, 一氧化碳转
( Depart ment of Chem ical Engi neeri ng , East Chi na U niversity ( Depart ment of Chem ical Engi neeri ng , Tokyo U niversity of Science and Technology , S hanghai 200237 , Chi na) of A gricult u re and Technology , Tokyo 184001TOL UENE , PROPYL ENE AND CARBON MONOXID E AND KINETICS
YING Weiyong , L IAO Shijie and FANG Dingye Kameyama Hideo
· 1 05 2 · 化 工 学 报 2002 年 10 月
甲苯 、丙烯 、一氧化碳催化燃烧 , 建立多组分混合 物催化燃烧反应动力学 , 用实验数据获得动力学方 程中的参数.
1 实验部分
1. 1 催化剂制备 金属壁与催化层一体化催化剂是金属材料经过
微量有机物 、一氧化碳催化燃烧进行了大量的研 究 , 提出各种反应机理 , 如气相中的反应物与催化 剂活性位上吸附解离态的氧反应机理[3 ,4 ] 、催化剂 活性位上吸附解离的氧与吸附态的反应物反应的机 理[5 ,6 ]等. 对于多组分有机物催化燃烧 , 一般认为 各组分之间存在相互抑制作用 , 要达到单组分催化 燃烧相同的转化率 , 反应温度要提高. 多组分催化 燃烧的反应机理研究表明 , 混合物中各组分的反应 可能遵循不同的反应机理[5 ] .
Fig. 1 Experimental data for conversion of toluene or propylene or carbon monoxide at various inlet concentrations
( v sp = 10000 h - 1)
第 53 卷 第 10 期 应卫勇等 : 新型催化剂上甲苯 、丙烯 、一氧化碳催化燃烧反应动力学 · 10 53 ·
第 53 卷 第 10 期 2002 年 10 月
化 工 学 报 Journal of Chemical Industry and Engineering (China)
Vol. 53 №10 October 2002
研究论文
新型催化剂上甲苯 、丙烯 、一氧化碳催化 燃烧反应动力学
本文在金属壁与催化层一体化催化剂上 , 研究
2001 - 01 - 04 收到初稿 , 2001 - 12 - 17 收到修改稿. 联系人及第一作者 : 应卫勇 , 男 , 45 岁 , 博士 , 教授.
Received date : 2001 - 01 - 04. Corresponding author : YIN G Weiyong.
应卫勇 廖仕杰 房鼎业 Kameyama Hideo
(华东理工大学化学工程系 , 上海 200237) (东京农工大学化学工程系 , 日本 东京 1840012)
摘 要 以甲苯 、丙烯 、一氧化碳为代表物研究了在金属壁与催化层一体化催化剂上的催化燃烧 , 假设吸附解 离态的氧与吸附态的反应物反应建立了催化燃烧反应动力学模型 , 得到了甲苯 、丙烯 、一氧化碳混合物在空气 中催化燃烧反应动力学方程. 关键词 甲苯 丙烯 一氧化碳 催化燃烧 反应动力学 中图分类号 TQ 032 TQ 241 文献标识码 A 文章编号 0438 - 1157 (2002) 10 - 1051 - 05
引 言
化工厂排放的废气 、城市垃圾焚烧排放的气体 是大气环境的一类主要污染物. 污染物中主要有苯 系物 、烃类 、卤代烃以及一氧化碳 , 这些污染物有 毒有害. 大气中微量有机物与氧化剂发生光化学反 应 , 会形成化学烟雾. 氯氟烃破坏臭氧层[1 ] . 催化 燃烧是将废气中的微量有机物 、一氧化碳转化成水 和二氧化碳 , 是废气治理的有效方法之一. 许多学 者[2 ]在铂催化剂 、钯催化剂 、过渡金属催化剂上对
Abstract The catalytic combustion of toluene , propylene and carbon monoxide is investigated over a catalyst wit h metallic wall and catalytic layer. The catalyst is prepared by anodic oxidation of aluminium , hydration t reat ment and impregnation of a chloroplatinic acid hexahydrate solution. It has t he advantages of high activity , easiness to form various shapes , and low pressure drop . The catalytic combustion experiment s of t he individual component and t he mixt ures of toluene , propylene and carbon monoxide are st udied , and t he inhibition effect s are observed f rom t he experimental data. The mechanism t hat reactant A is absorbed and react s wit h dissociatively adsorbed oxygen is adopted. The kinetic models are obtained for each component in t he mixt ures. Keywords toluene , propylene , carbon monoxide , catalytic combustion , reaction kinetics
阳极氧化 、水合处理 、催化组分负载而成的催化 剂[7 ,8 ] ; 该催化剂具有良好的加工性能 (可制成多 种形状) 、高导热性能以及流体流动阻力小等优点.
将厚度为 0. 3 mm 的铝板作为阳极 , 在 20 ℃、 草酸质量分数为 4 %水溶液中 , 在电流密度 50 A· m - 2下阳极氧化 16 h 后 , 表面形成厚度为 100μm 的氧化膜. 将形成的氧化铝进行水合处理 , 然后干 燥 、焙烧 , 制成载体. 氧化铝水合处理可改变氧化 铝的孔径分布和比表面积 , 水合温度高 、时间长 , 孔径变小 , 比表面积增大. 使用水溶液浸渍催化组 分时 , 水合处理和组分浸渍同时进行. 将氯铂酸水 合物溶解于去离子水中 , 配制成含铂 1 g·L - 1的浸 渍溶液 , 在温度 20 ℃、溶液体积与催化剂载体外 表面积之比为 5 cm3 ·cm - 2 的条件下 , 将上述氧化 铝膜浸渍 1 h , 自然干燥后 , 在 500 ℃焙烧 3 h 制成 催化剂. 催化剂的平均孔半径是 5. 5 nm , 铂组分 的负载量是 1. 02 g·m - 2 (外表面积) . 1. 2 催化燃烧实验