CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH MƠ PHỎNG BỘ XÚC TÁC KHÍ THẢI BA THÀNH PHẦN TRÊN PHẦN MỀM AVL
2.1.1. Lý thuyết về các phản ứng xúc tác diễn ra trong BXT
Trong BXT các phản ứng hóa học và q trình truyền nhiệt diễn ra rất phức tạp. Nội dung dưới đây sẽ trình bày cơ sở lý thuyết về các phản ứng hóa học và tốc độ phản ứng, đặc điểm truyền nhiệt diễn ra trong BXT và cơ sở tính tốn nhằm phục vụ cho việc xây dựng mơ hình mơ phỏng BXT trên phần mềm AVL Boost [79].
Cơ chế của các phản ứng diễn ra trong BXT là các phản ứng xúc tác dị thể bởi chất xúc tác và chất phản ứng ở hai pha khác nhau (các chất phản ứng tồn tại ở dạng khí trong khi đó chất xúc tác tồn tại ở dạng rắn). Vì vậy, mơ hình BXT địi hỏi xem xét cả tính chất vật lý và tính động học của các phản ứng.
Thơng thường có một lớp ranh giới giữa dịng khí thải và bề mặt chất rắn. Trong lớp ranh giới này có những biến đổi về tốc độ phản ứng, nồng độ các chất và nhiệt độ. Việc dịch chuyển với số lượng lớn các chất khí trong pha khí có thể ảnh hưởng đến tốc độ của các phản ứng trên bề mặt lõi xúc tác.
Để tăng diện tích bề mặt nhằm tăng tốc độ phản ứng, bề mặt BXT đều có dạng lỗ xốp. Các phản ứng hóa học xảy ra bên trong các lỗ dạng tổ ong của BXT.
Hình 2.1 thể hiện các bước diễn ra các phản ứng xúc tác dị thể. Các phản ứng xúc tác này có thể chia thành 5 giai đoạn [79]:
- Giai đoạn 1: Sự dịch chuyển các chất khí (chất phản ứng - pha khí) với số lượng lớn trên bề mặt lõi xúc tác.
- Giai đoạn 2: Có sự khuếch tán các chất khí vào các lỗ xốp trên bề mặt BXT. Khi lớp vật liệu trung gian (washcoat) được phủ lên trên bề mặt trong các lỗ (cell), các chất khí sẽ được khuếch tán vào trong nó.
- Giai đoạn 3: Sự hấp thụ của các chất khí lên trên bề mặt lớp vật liệu nền
washcoat.
- Giai đoạn 5: Sự khuếch tán các sản phẩm sau phản ứng vào mơi trường.
Hình 2.1. Các bước của cơ chế phản ứng xúc tác [79]
Trên Hình 2.1, các bước 1, 2, 6, 7 là các quá trình trao đổi khối lượng của các chất phản ứng, các bước 3, 4, 5 là các bước phản ứng hóa học diễn ra trên bề mặt BXT.
Cụ thể, khi khí thải đi vào BXT sẽ diễn ra hai loại phản ứng là phản ứng giữa chất khí với chất khí và phản ứng giữa chất khí với chất rắn (vật liệu xúc tác). Ở đây chúng ta quan tâm đến các phản ứng giữa các chất khí và vật liệu xúc tác bởi đây là các phản ứng đóng vai trị chính trong việc biến các chất khí độc hại CO, HC, NOx thành các chất ít độc hại hơn. Trong BXT hiện nay CeO2 và ZrO2 được thêm vào lớp vật liệu trung gian, các ơ xít này sẽ tham gia các phản ứng hấp thụ và giải phóng ơ xy, đồng thời tham gia một số phản ứng ô xy hóa CO, HC và khử NOx theo các phản ứng sau [79].
Phản ứng của vật liệu xúc tác Ce2O3 với ô xy.
Ce2O3 + 1/2O2 2CeO2 (2.1)
Tốc độ phản ứng (2.1)
Phản ứng oxi hóa CO và HC
2CeO2 + CO Ce2O3 + CO2 (2.2)
12CeO2 + C3H6 6Ce2O3 + 3CO + 3H2O (2.3)
Tốc độ phản ứng (2.2)
Phản ứng khử NO, ơ xy hóa CO bởi Rh và RhO
Rh + NO RhO + 1/2N2 (2.4)
RhO + CO Rh + CO2 (2.5)
Tốc độ phản ứng (2.4)
Tốc độ phản ứng (2.5)
Phản ứng của Platinum với ô xy Pt + 1/2O2 PtO
(2.6)
Tốc độ phản ứng (2.6)
Phản ứng ơ xy hóa CO và HC bởi PtO
PtO + CO Pt + CO2 (2.7)
9PtO + C3H6 9Pt + 3CO2 + 3H2O (2.8)
Tốc độ phản ứng (2.7) Tốc độ phản ứng (2.8) Trong đó: K (kmol/m.s2): Tham số tốc độ phản ứng E (J/mol): Năng lượng hoạt hóa của phản ứng
Ya: Thành phần phần trăm của chất khí a trong hỗn hợp khí
Zb: Thành phần kim loại/ơxit kim loại trên diện tích bề mặt lớp washcoat (diện tích diễn ra các phản ứng)
R: Hằng số khí lý tưởng