活性位为微孔晶体的多孔催化剂颗粒的反应扩散多区域模型

Deep understanding the principle under the reaction-diffusion processes within a catalyst particle is of great significance in catalyst design and operation optimization of chemical reactors. The performance of a single multi-porous catalyst particle formed with small micro-porous crystals (active sites) is influenced in a complex manner by the size, distribution and amount of micro-porous crystals which determine the diffusion resistance and reaction rate inside the particle. The classical continuum model and (random) network model of catalyst particles do not have advantages in predicting the optimized size, distribution and amount of micro-porous crystals within the particle due to their different interested scale. In this research, a multi-region model of catalyst particles based on a hierarchical multi-scale approach is developed to investigate the influence of the size, distribution and amount of micro-porous crystals within the particle on the catalytic performance. The corresponding multi-component coupled PDE systems are converted to ODE systems based on discretization with respect to the spatial coordinate using FVM. The resulting multi-scaled ODE systems are solved by reduced storage matrix method. For the multi-scaled phenomenon behind the micro-pore and meso/macro-pore diffusions, a quasi-stationary state assumption is adopted in developing the corresponding numerical scheme to improve the solving efficiency.

深入理解催化剂颗粒内部的反应扩散规律有助于催化剂颗粒的优化设计和反应器工艺的改进。对于由微孔隙晶体小颗粒（活性中心）构成的具有多孔隙结构的催化剂颗粒，颗粒内微孔隙晶体的大小、分布和含量的不同，将导致颗粒内部的扩散阻力和反应速率的不同，从而影响整个颗粒的催化性能。由于着眼尺度等的不同，催化剂颗粒传统的连续性模型和三维（随机）网络模型在这方面的应用并不具有优势。本项目将基于多尺度思想，建立具有理论连续性的催化剂颗粒的多区域模型，使该模型能够揭示颗粒内微孔隙晶体的大小、分布和含量对催化性能的影响。针对模型中的多组分耦合的偏微分方程组，采用有限元法离散其空间算符得到常微分方程组，并根据无矩阵法原理求解耦合的常微分方程组，得到各组分的浓度场（压力场）随时间的演化过程。针对颗粒内部微孔隙扩散与介孔隙/大孔隙扩散存在的多尺度现象，采用准定态近似假设开发对应的数值方法以提升求解效率。

分子筛催化剂在工业上具有重要的应用（如在FCC和MTO工艺中的应用）。催化剂颗粒内部的微孔隙分子筛小颗粒是催化剂的活性中心，这些小颗粒的大小、含量和空间分布的不同，将影响催化剂颗粒内部的扩散阻力和反应速率，从而影响整个颗粒的催化性能。研究它们的反应扩散机制对于催化剂颗粒设计和工艺优化具有重要意义。.本项目基于Maxwell-Stefan扩散理论和IAST吸附理论，建立了反应扩散的多区域模型，揭示了催化剂颗粒内部微孔区域和中孔/大孔区域的反应扩散过程以及它们的耦合机制。针对模型中的多组分耦合的偏微分方程组，采用有限元法离散其空间算符得到常微分方程组，并根据无矩阵法原理求解得到各组分的浓度场（压力场）随时间的演化过程。针对微孔区域和中孔/大孔区域特征时间差异大的特点，采用准定态近似开发对应的数值方法以提升求解效率。.基于建立的多区域模型，我们在较为底层的物理模型层次上详细模拟了H-ZSM-5催化剂的烷基化反应扩散过程，揭示了催化剂颗粒内部微孔晶体的大小、体积含量和空间分布对催化剂催化效率的影响。针对MTO过程，建立了多尺度的模型关联方法，模拟了固定床分子筛颗粒内部的反应扩散与外部的流动相耦合的过程；基于催化剂颗粒层次的简化积碳模型，对比性地研究了固定床和流化床反应器的积碳机制及动力学模型。