反应过程—SCR的动力学方程

2
SCR动力学研究
SCR-DeNOX 的反应机理
Eley-Rideal 机理
Langmuir-Hinshelwood
机理
SCR-DeNOX 的反应过程
NH3和NOX在催化剂上的反应过程可以概括
为七个步骤所组成： ① NH3、NOX从主气流穿过催化剂颗粒
外表面的气膜，扩散到催化剂外面；
② NH3、NOX从催化剂颗粒外表面通过毛 细管扩散到催化剂内部表面； ③ NH3在催化剂面上吸附；
2.2 内扩散—内扩散对反应的影响
η值的大小表示内扩散对过程影响的程度。η值越小，说明内扩散影响越严重。
η等于 1 时，内扩散对过程没有影响。 从上式中可以看出η的数值，主要由φs 所决定。对于球形催化剂
φs
De
内扩散对反应的影响越大 η
2.2 内扩散—内扩散对反应的影响
内扩散的有效利用系数随温度变化的曲线
在工业上常将在内扩散的影响下（内扩散控制或过渡区）的实际反应速度 与过程在化学动力学范围内的反应速率 （此时整个粒子间的反应物浓度均 为Cs）的比为固体催化剂内表面利用率η。 内表面利用率的概念表示了在工业实际催化反应中，催化剂的内部表面被 利用的程度。也称扩散有效因子（effectiveness factor）。内扩散因子计算 式为：
表和图
温度低于 580K 时，随着温度的升高，内扩散效率因子线性降低；而当温度高 于 600K 时，内扩散效率因子趋于稳定，随温度变化很小。
2.2 内扩散—内扩散对反应的影响
表要重新做 球形催化剂的粒径对 Thiele 模数和内扩散效率因子η的影响
1. 对于NH3选择性还原NOX的反应，随着球形催化剂粒径的增加，Thiele模数φ s 增加，催化效率降低。 2. 当催化剂的粒径大于 0.045 cm时，内扩散的影响已经相当严重，催化反应的效 率也很低。 3. 有效因子随φ s值的增加而降低，减小催化剂颗粒的粒度，φs 值可减小，所以， 减小粒度可以提高催化剂的有效因子
2.1 外扩散
对于球形催化剂，令 宏观反应速率为rNO,g，则
设反应混合物的初始摩尔流率 与反应过程中瞬时摩尔流率 相等，则上式变为
2.1 外扩散
NO百度文库浓度分率随反应时间τ 的变化方程
SCR 反应体系为稳定流动体系，因此单位时间内扩散到催化剂外表面的 NO 量 与催化剂中 NO的反应量相等，即
2.1 外扩散—外扩散对反应的影响
CNO,s/CNO,g随温度的变化
温度T（°C） C NO,S 260 320 380
表和图
420
C NO,g
C NO,S/C NO,g
由图 可见，在温度区间 250－420℃内C NO,S/C NO,g≈1 ，主气流中 NO的浓度与 催化剂外表面上的浓度 ，外扩散的阻碍作用可以忽略不计. CNO,s/CNO,g随温度变化的曲线
研究的催化剂孔半径 r a＝0.3107*10-6 cm, 代入计算上式，所以可以忽略分子 有效扩散系数的影响，则有效扩散系数De为：
有效扩散系数 De 的计算
通过前面物理参数计算可得 V2O5-WO3/TiO2 的有效扩散系数
各试验温度下的扩散系数如下表
是否需要加图
该催化剂孔径比较小，努森扩散占主导地位。
rNO k pC C C
NO NH3
O2
2.3 反应过程—求解NO的反应动力学级数
根据 I NO M AT A 等人在钛基钒系催化剂上的研究, 在富氧、 N H 3 /NO > 1 时, 速率
2.3 反应过程
以NH3为还原剂的SCR反应机理非常复杂，主要是在催化剂存在的情况下，降 低了催化还原NOx所需要的化学反应活化能，从而在200~450°C范围内，有选 择性的把烟气中的NOx催化还原成N2和H2O。NO的转化率与反应物的NO,NH3 和O2的浓度有关。 根据幂级数模型求解反应动力学
④ 气态NOX与催化剂表面吸附的NH3进行反应；
⑤ 反应生成物N2、H2O在催化剂表面上脱附； ⑥ 生产物通过催化剂的毛细管扩散到催化剂颗粒的外表面；
⑦ N2、H2O从颗粒外表面穿过气膜扩散到主气流中。
有效扩散系数 De 的计算
对于气体来说，孔扩散可分为三种：

努森扩散 （ Kundsen ） 分子扩散（bulk diffusion） 表面扩散（surface diffusion）
有效扩散系数 De 的计算
（1） Kundsen 有效扩散系数DKe 的计算
有效扩散系数 De 的计算
（2） 分子有效扩散系数 的计算DBe
（3） 有效扩散系数 的计算De
有效扩散系数 De 的计算
在不同压力下气体分子的平均自由程可粗略地用下式进行估计：
当气体分子的平均运动自由程大于孔径时，即
2.2 内扩散
对催化剂颗粒作如下假设： 1. 球形颗粒是等温的； 2. 催化剂颗粒内部进行一级不可逆 反应，且反应时不发生体积变化； 3. 多孔结构是均匀的，并且颗粒中
反应物的有效扩散系数 De已从前
面求得; 4. 扩散服从菲克（Fick）第一定律。 球形颗粒催化剂扩散模型
2.2 内扩散
从物料衡算看，在内扩散的稳定状态下，该微分壳体内反应的数量应等于扩 散进去的数量，如下：
可简化为
令
2.2 内扩散
2.2 内扩散
当过程处于内扩散控制时总的反应量 应等于反应物质扩散进催化剂颗粒里面 去的数量，即 rNO,p
所以，扩散速率亦即存在内扩散影响时的反应速率为
2.2 内扩散—内扩散对反应的影响
若是内扩散影响不存在，则整个催化剂颗粒内该组分的浓度等于外表面浓 度 ，因此，反应速率为：
3.结论 4.大作业总结
1
研究背景
氮氧化物的危害
SCR-DeNOX
选择性催化还原脱氮（SCR-DeNOX）是指有氧情况下且合适的温度范围内还 原剂NH3在催化剂的作用下将NOX有选择地还原为氮气和水，反应式如下：
由于典型烟气中NO占NOX 的 95％以上，所以NOx脱除 主要是以反应1式为主。
写在前面： 老师，我们现在的ppt还是初稿，其中有些表格跟 数据以及拟合还要重新做，还有用EXCEL拟合的也会 重新用origin拟合，请老师多多提出意见。 第十组
氨选择性催化还原（SCR）氮氧化物的动力学研究
Reporter
:第10组
Supervisor :
1.研究背景
CONTENTS
2.反应动力学研究