催化燃燒反應(yīng)基本原理
1970年代,Pfefferle首次清楚地提出了平滑催化燃燒的定義,并證實(shí)了催化燃燒是一種較稀的氣體化合物,在催化劑表面進(jìn)行無(wú)火焰點(diǎn)燃,不會(huì)產(chǎn)生明顯的空氣污染物,同時(shí)產(chǎn)生CO2和吐0,并釋放大量熱量。燃燒室必須有足夠的高活化能來(lái)維持燃燒反應(yīng),在無(wú)催化劑條件下,產(chǎn)生一種活化能,大約需要100-200kJ/mol,對(duì)比無(wú)催化劑條件下的化學(xué)變化,有催化劑參與的化學(xué)變化,化學(xué)反應(yīng)速度很快,本身在反應(yīng)前后沒(méi)有發(fā)生任何變化。催化劑在低溫下燃燒產(chǎn)生活化能,因此活化能必須降低;催化劑提供了可列舉的反映途徑,反映出溫度低于氮氧化合物生成范圍,反映出又有一個(gè)完全的氧化還原反應(yīng),因此不易產(chǎn)生CO及其氮氧化合物。
催化反應(yīng)分為單相電催化和多相(異形)催化兩種,根據(jù)催化劑與反應(yīng)物所處的物相不同而不同。前者指催化劑與反應(yīng)物所處的物相相同,后者指催化劑與反應(yīng)物相反。固相催化反應(yīng)是普遍的,即催化劑處于固相,而反應(yīng)物處于液相。
在圖2-1中可以看到異象催化和單相電催化反應(yīng)整個(gè)過(guò)程中動(dòng)能的變化趨勢(shì)。多組分催化反應(yīng)和單相電催化反應(yīng)都是化學(xué)反應(yīng),從圖上可以看到:反應(yīng)物的總動(dòng)能大于物質(zhì)的總動(dòng)能;此外還可以看出,催化劑的存在是否對(duì)反應(yīng)的初始和終態(tài)動(dòng)能沒(méi)有危害。異象催化反應(yīng)的整個(gè)過(guò)程包括:外擴(kuò)散■吸咐■表面反映■吸附,以然料和空氣中的氧分子為反應(yīng)物,首先在兩者之間進(jìn)行外擴(kuò)散,然后在兩者之間進(jìn)行吸附反映,然后在反映所需的活化能已吐出的情況下,吸咐■表面反映■吸附,從而產(chǎn)生吸絡(luò)離子;最后,吸附反映,擺脫所需的活化能Edes,物質(zhì)向周邊擴(kuò)散。
圖2-2顯示了在異像催化燃燒過(guò)程中化學(xué)反應(yīng)速率隨溫度的變化趨勢(shì)。由圖表可以看出,在動(dòng)力學(xué)模型操縱的區(qū)域,反應(yīng)物在催化劑表面反映出發(fā)熱釋放、液體加熱和催化劑表面;在進(jìn)入質(zhì)量傳遞保護(hù)區(qū)后,由于質(zhì)量傳遞效應(yīng),化學(xué)反應(yīng)速率基礎(chǔ)沒(méi)有改變,但反映出溫度繼續(xù)升高,而進(jìn)入催化反應(yīng)燃燒單相電反應(yīng)區(qū),在這里質(zhì)量傳遞保護(hù)區(qū)內(nèi)的物料基礎(chǔ)發(fā)生了徹底的轉(zhuǎn)變。這樣,就可以得到催化劑表面反應(yīng)物的溫度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速度有很大的危害,使反應(yīng)物在低溫下進(jìn)行催化燃燒平穩(wěn)反映。