Kinetics of catalytic combustion processes of air admixtures

• Autorzy: Straszko J. , Parus W. , Paterkowski W.

Identyfikatory

DOI

10.1515/aep-2015-0011

Warianty tytułu

PL

Aspekty kinetyczne procesow katalitycznego spalania domieszek powietrza

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

A catalytic combustion of organic admixtures of air belongs to the basic technologies of gas purification. A macrokinetics of admixtures combustion over the porous catalysts was described. The theoretical approach is in agreement with standard description of macrokinetics of the catalytic processes. The relationship between the fundamental magnitudes: observed process rate r*, reaction rate r in the kinetic zone, and a coefficient of the surface utilization η in the form r*= r · η have been described. These magnitudes combines the Thiele module φ. A kinetics equation for the isothermal and non-isothermal conditions was provided. The influence of mass and heat transfer in the catalyst grain on the course of the process was described by means of the surface utilization coefficient η. An equation describing this coefficient for both isothermal and non-isothermal conditions was given. The second part of this work concerns the application of theory. When the composition of purified gas is continuously varied, a quantitative approach is rather impossible. The theory was used for the qualitative analysis of process on the basis of the experimental results. A fulfillment of the first-order kinetics means that the degree of admixtures conversion does not depend on their initial concentrations. A non-isothermicity of the catalyst grain is expressed in such a way that the process rate observed over the large porous grains of the catalyst can be higher than the reaction rate in the kinetic zone. A temperature deference between the catalyst grains and flowing gas causes that the reactor can be stably operated at varied concentrations of admixtures and temperature over a relatively wide range. It was also demonstrated that the flammable admixtures may advantageously influence the conversion of hardly combustible admixtures.

PL

Katalityczne spalanie domieszek organicznych powietrza należy do podstawowych technologii oczyszczania gazów. Opisano makrokinetykę spalania domieszek na katalizatorach porowatych. Ujęcie teoretyczne jest zgodne ze standardowym opisem makrokinetyki procesów katalitycznych. Opisano relacje pomiędzy podstawowymi wielkościami: obserwowaną szybkością procesu r*, szybkością reakcji w obszarze kinetycznym r i współczynnikiem wykorzystania powierzchni η, w formie r*=r ·η. Łączy je moduł Thielego ö. Podano równanie kinetyczne dla warunków izotermicznych i warunków nieizotermicznych. Wpływ transportu masy i transportu ciepła w ziarnie katalizatora na przebieg procesu opisano za pomocą współczynnika wykorzystania powierzchni η. Podano równanie opisujące ten współczynnik dla warunków izotermicznych i nieizotermicznych. Druga część pracy dotyczy zastosowania teorii. Przy ciągłej zmianie składu oczyszczanego gazu ujęcie ilościowe nie bardzo jest możliwe. Teorię zastosowano do jakościowej analizy procesu na podstawie wyników doświadczalnych. Spełnienie kinetyki I-rzędu oznacza, że stopień przemiany domieszek nie zależy od ich stężenia początkowego. Nieizotermiczność ziarna katalizatora przejawia się w ten sposób, że obserwowana szybkość procesu na dużych ziarnach porowatych katalizatorów może być wyższa niż szybkość reakcji w obszarze kinetycznym. Różnica temperatury pomiędzy ziarnami katalizatora i przepływającym gazem powoduje, że reaktor może pracować stabilnie przy zmiennych stężeniach domieszek i temperatury w dosyć szerokich zakresach. Wykazano też, że domieszki spalające się łatwo mogą korzystnie wpływać na przemianę domieszek spalających się trudno .

Słowa kluczowe

EN

air admixtures; catalytic combustion; process kinetics; new generation catalysts

PL

domieszki powietrza; katalityczne spalanie; kinetyka procesu; katalizator porowaty

• Wydawca: Institute of Environmental Engineering, Polish Academy of Sciences
• Czasopismo: Archives of Environmental Protection
• Rocznik: 2015
• Tom: Vol. 41, no. 1
• Strony: 86--97
• Opis fizyczny: Bibliogr. 34 poz.,

Twórcy

autor

Straszko J.

• West Pomeranian University of Technology in Szczecin, Poland Faculty of Chemical Engineering

autor

Parus W.

• West Pomeranian University of Technology in Szczecin, Poland Faculty of Chemical Engineering

autor

Paterkowski W.

• West Pomeranian University of Technology in Szczecin, Poland Faculty of Chemical Engineering

Bibliografia

• [1] Avgourpoulos, G., Oikonomopoulos, E., Kanistras, D.T. & Ioannides, D.T. (2006). Complete oxidation of ethanol over alkali - promoted Pt/Al2O3 catalysts, Applied Catalysis B: Environmental, 65, pp. 62-69.
• [2] Carpentier, J., Lamonier, J-H. Siffert, S., Laversin, H. & Aboukais, A. (2002). Preparation and characterization of Co-Fe-Cu mixed oxides via hydrotalcite-like precursors for toluene catalytic oxidation, Studies of Surface Science and Catalysis, 142, pp. 1197-1204.
• [3] Choudhary, V.R., Deshmukh, G.M. & Pataskar, S.G. (2004). Low temperature complete combustion of dilute toluene and methyl ethyl ketone over transition metal-doped ZrO2 (cubic) catalysts, Catalysis Communications, 5, 3, pp. 115-119.
• [4] Delimaris, D. & Ioannides, T. (2008). VOC oxidation over MnOx-CeO2 catalysts prepared by a combustion method, Applied Catalysis B: Environmental, 84, pp. 303-312.
• [5] Drago, R.S. Jurczyk, K. Singh, D.J. & Young, V. (1995). Low-temperature deep oxidation of hydrocarbons by metal oxides supported on carbonaceous materials, Applied Catalysis B: Environmental, 6, pp. 155-168.
• [6] Everaert, K. & Baeyens, J. (2004). Catalytic combustion of volatile organic compounds, Journal of Hazardous Materials, B109, 113-139.
• [7] Kennedy, L.A. & Ruckenstein, E. (1984). Catalytic combustion, Catalysis Reviews, 26, 1, pp. 1-58.
• [8] Konieczyński, J. (1993). Flue gas purification, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 1993. (in Polish)
• [9] Li, W.B., Wang, J.X. & Gong, H. (2009). Catalytic combustion of VOCs on non-noble metal catalysts, Catalysis Today, 148, 1-2, pp. 81-87.
• [10] Łojewska, J., Kołodziej, A., Dynarowicz-Łątka, P. & Weselucha-Biczyńska, A. (2005). Engineering and chemical aspects of the preparation of microstructured cobalt catalyst for VOC combustion, Catalysis Today, 101, 2, pp. 81-91.
• [11] Morales, M.R., Barbero, B.P. & Cadús, L.E. (2006). Total oxidation of ethanol and propane over Mn-Cu mixed oxide catalysts, Applied Catalysis B: Environmental, 67, 3-4, pp. 229-236.
• [12] Okumura, K., Kobayashi, T., Tanaka, H. & Niwa, M. (2003). Toluene combustion over palladium supported on various metal oxide supports, Applied Catalysis B: Environmental, 44, 1-2, pp. 325-331
• [13] Ordóňez, S., Bello, L., Sastra, H., Rosal, R. & Diez, F. V. (2007). Kinetics of the deep oxidation of benzene, toluene, n-hexane and their binary mixtures over a platinum on γ-alumina, Catalysis Today, 119, 1-4, pp. 327-331.
• [14] Osaki, T., Nagashima, K., Wtarai, K. & Tajiri, K. (2007). Pt-Al2O3 cryogel with high thermal stability for catalytic combustion, Catalysis Letters, 119, 1-2, pp. 134-141.
• [15] Parus, W. & Paterkowski, W. (2009). Catalytic oxidation of organic pollutants, Polish Journal of Chemical Technology, 11, 4, pp. 30-37.
• [16] Parus, W. & Paterkowski, W. (2011). Catalytic combustion of ethyl acetate in air over metal oxide catalysts, Przemysł Chemiczny, 90, 4, pp. 574-580. (in Polish)
• [17] Pecchi, G., Reyes, P., Jiliberto, M.G., Lopez, T. & Fierro, J.L.G. (2006). Catalytic combustion of ethyl acetate over ceria-promoted platinum supported on Al2O3 and ZrO2 catalysts, Journal of Sol-Gel Science Technology, 37, pp. 169-174.
• [18] Petersen, E.E. (1965). Chemical Reaction Analysis. Editor: Englewood Cliffs: Prentice Hall, New Jersey 1965.
• [19] Prater, C.D. (1958). The temperature produced by heat of reaction in the interior porous particle, Chemical Engineering Science, 8, pp. 284-296.
• [20] Satterfield, C.N. (1970). Mass Transfer in Heterogeneous Catalysis, IIT Press Cambrige, Massachusetts 1970.
• [21] Satterfield, C.N. & Sherwood, T.K. (1963). The Role of Diffusion in Catalysis, Addison-Wesley Publishing Company, Massachusetts 1963.
• [22] Shim, W.G., Lee, J.W. & Kim, S.Ch. (2008). Analysis of catalytic oxidation of aromatic hydrocarbons over supported palladium catalyst with different pretreatments based on heterogeneous adsorption properties, Applied Catalysis B: Environmental, 84, 1-2, pp. 133-141.
• [23] Spivey, J.J. (1987). Complete catalytic oxidation of volatile organics, Industrial and Engineering Chemistry Research, 27, 11, pp. 2165-2180.
• [24] Straszko, J. (1979). Kinetic modeling of contact processes, Wydawnictwo Politechniki Szczecińskiej, Szczecin 1979. (in Polish)
• [25] Straszko, J., Parus, W. & Paterkowski, W. (2012). Low-temperature catalysts of air pollution protection, in. Ochrona Powietrza Atmosferycznego. Wybrane zagadnienia, Musialik - Piotrowska, A. & Rutkowski, J.D. (Eds). Wydawnictwo PZITS, Wrocław 2012, 898, pp. 283-293. (in Polish)
• [26] Straszko, J. & Frączak, M. (1978). Kinetics of chemical reactions, Wydawnictwo Politechniki Szczecińskiej, Szczecin 1978. (in Polish)
• [27] Szarawara, J. & Skrzypek, J. (1980). Chemical reactors engineering, WNT, Warszawa 1980. (in Polish)
• [28] Takeguchi, T., Aoyama, S., Ueda, J., Kikuchi, R. & Eguchi, K. (2003). Catalytic combustion of volatile organic compounds on supported precious metal catalysts, Topics in Catalysis, 23, 1-4, pp. 159-162.
• [29] Trawczyński, J., Bielak, B. & Miśta, W. (2005). Oxidation of ethanol over supported manganese catalysts-effect of the carrier, Applied Catalysis B: Environmental, 55, 4, pp. 277-285.
• [30] Tsou, J., Magnoux, P., Guisnet, M. Órfão, J.J.M. & Figueiredo, J.L. (2005). Catalytic oxidation of volatile organic compounds. Oxidation of methyl-isobutyl-ketone over Pt/zeolite catalysts, Applied Catalysis B: Environmental, 57, pp. 117-123.
• [31] Verykios, X.E., Papaefthimiou, P. & Ioannides, T. (1997). Combustion of non-halogenated volatile organic compounds over group VIII metal catalysts, Applied Catalysis B: Environmental, 13, 3, pp. 175-184.
• [32] Wang, C.H. (2004). Al2O3-supported transition-metal oxides for catalytic incineration of toluene, Chemosphere, 55, 1, pp. 11-17.
• [33] Weisz, P.B. & Hicks, J.S. (1962). Behavior of porous catalyst particles in view of internal mass and heat diffusion effects, Chemical Engineering Science, 17, pp. 265-275.
• [34] Yang, Y., Xu, X. & Sun, K. (2006). A highly efficient copper supported catalyst for catalytic combustion of ethyl acetate, Catalysis Communications, 7, pp. 756-760