KINETIC MODELING OF AMMONIA SELECTIVE CATALYTIC REDUCTION FOR CLEANING EMISSIONS FROM VEHICLES: CATALYST AGING

SUPRIYANTO, Prof. Suryo Purwono

2013 | Tesis | S2 Teknik Kimia

Amonia Selective Catalytic Reduction (NH3-SCR) adalah sebuah teknologi yang mapan untuk mengurangi NOx untuk jenis kendaraan berat. Pertukaran logam zeolit, seperti zeolit tembaga, digunakan untuk NH3-SCR. Efek hidrotermal aging pada katalis berbasis zeolit sekarang ini sedang dipelajari. Namun, belum ada yang membahas model kinetika yang dapat menggambarkan aging pada zeolit tembaga. Proyek ini bertujuan untuk mengembangkan model kinetika NH3-SCR pada Cu- Beta. Dalam tesis sebelumnya sudah mempelajari percobaan aging NH3-SCR pada Cu-Beta. Reaksi utama yang sebelumnya diperiksa adalah penyimpanan ammonia, oksidasi amonia, oksidasi NO, SCR standar, SCR cepat, NO2 SCR dan pembentukan N2O. Hasil eksperimen tersebut kemudian digunakan untuk membangun model kinetika. Kami menyarankan bahwa beberapa reaksi yang berbeda, yang terjadi dalam mekanisme SCR, berlangsung pada situs yang berbeda. Karena itu kami telah memperkenalkan factor aging yang kita kalikan dengan faktor pra-eksponensial. Kami menyarankan bahwa situs yang berbeda memiliki factor aging yang berbeda. Dengan cara ini kita dapat mengelompokkan jenis reaksi pada situs tertentu. Hal ini juga akan menghasilkan cara cepat dalam tuning model aging karena kita hanya perlu menentukan NH3 storage/desorpsi dan faktor-faktor aging. Hasil penelitian menunjukkan bahwa pendekatan simulasi bekerja dengan baik untuk memodelkan hasil eksperimen. Untuk amonia TPD simulasi dilakukan dengan hanya penurunan kapasitas penyimpanan amonia dan menggunakan panas adsorpsi yang diukur dengan microcalorimeter. Model kami dapat menggambarkan bahwa suhu yang lebih tinggi dari hidrotermal aging memberikan pengurangan dalam penyimpanan amonia pada suhu yang lebih tinggi serta penurunan temperatur untuk NH3 desorpsi. Untuk NH3 oksidasi, oksidasi NO dan NH3-SCR katalis Cu-beta aging 500oC dan 800oC digambarkan dengan tiga faktor aging. Sementara itu katalis aging 900oC memiliki perilaku tertentu untuk faktor aging karena strukturnya rusak pada suhu tinggi. Selain itu adanya pembentukan N2O yang terjadi baik pada suhu rendah dan pada suhu tinggi dan model dikembangkan untuk ini.

Ammonia Selective Catalytic Reduction (NH3-SCR) is an established technology to reduce NOx for heavy-duty vehicles. Metal exchanged zeolites, such as copper zeolites, are used for NH3-SCR. The effects of hydrothermal aging over zeolite based catalyst are recently studied. However, there are no kinetic models present that can describe aging over copper zeolites. This project aims to develop kinetic modeling of NH3-SCR over Cu-Beta. In a previous master thesis work experiments for studying aging of NH3-SCR over Cu- Beta was conducted. The main reactions that were previously examined experimentally were ammonia storage, ammonia oxidation, NO oxidation, standard SCR, rapid SCR, NO2 SCR and N2O formation. The results of the experiments were then used to construct the kinetic model. We suggest that some of the different reactions that occur in the SCR mechanism take place on different sites. We have therefore introduced aging factors that we multiply the pre-exponential factors with. We suggest that different sites have different aging factors. In this way we can group the reactions after on which sites the reactions occur. This will also result in a fast way of tuning aging models since we only need to determine NH3 storage/desorption and the aging factors. The results showed that the simulation approach worked well for modeling the experimental results. For ammonia TPD the simulations are enough with only decreasing storage capacity of ammonia and using heat of adsorption measured by microcalorimeter. Our model can describe that the higher temperature of hydrothermal aging gives reducing of ammonia storage at higher temperature as well as decreased temperature for NH3 desorption. For NH3 oxidation, NO oxidation and NH3-SCR a Cu-beta catalyst which was aged between 500oC and 800oC was described with three aging factors. Meanwhile aged catalyst at 900oC has a particular behavior for tuning aging factors due to that the structure has collapsed at this high temperature. In addition N2O formation occurred both at low temperature and at high temperature and a model was developed for this.

Kata Kunci : Ammonia Selective Catalytic Reduction, Zeolite, Cu-Beta, Model kinetika