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 90,75 128 Константа скорости, с-1 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 305 129 358 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 внутридиффузионного 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 Степень окисления СО, % 251 72,19 Константа скорости, с-1 305 358 96,48 99,49 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 15,634 130 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. 131