分级孔内扩散与吸附过程的多尺度耦合体积平均理论

Diffusion and adsorption in hierarchical porous media is the controlling process of the performance of equipements like packed chromatography columns,supported catalyst. Enhancing the mass transfer performance by improving the pore structure, is an effective way to improve the performance of equipments. However, due to the lack of suitable research methods, how do the pore structure and the coupled behavior of diffusion and adsorption influence the macroscale mass transfer performance is not definite. Recent research of the applicant indicates that the volumn averaging theory is capable to reveal and predict the influence of coupled diffusion and linear adsorption on the macroscale mass transfer performance in single scale pore structures. Taking the advantage of the volumn averaging theory's capability on estabilishing the correlation of macroscale mass transfer performance and pore structures, in this proposal, the applicant plan to treat the coupled diffusion and nonlinear adsorption by defining new closure variables, taking the adsorption into the consideration of the integral constraint of closure equations. Then, the concentration relationship at the interface of multiscale regions is treated by taking the equilibrium adsorption parameter into account, so that the theoretical model for multiscale regions is established. Finally, pore structures generated by numerical methods are used to do the prediction of macroscale mass transfer performance by the theoretical model. The theoretical model is validated by comparing the predicted results with that obtained by experiment and direct numerical simulation. The theoretical model for hierarchical pore structures will act as a new tool for design of efficient pore structures in chemical engineering equipments.

分级孔内的扩散与吸附过程是决定填充色谱柱、负载型催化剂等化工设备性能的控制过程。通过改进分级孔结构以强化传质性能是一条提升相关设备性能的有效途径，但由于缺乏合适的研究方法，孔隙结构、孔隙内扩散与孔隙壁面吸附耦合作用与宏观传质性能间的相互作用机制不明。预研结果表明体积平均理论能够揭示并预测单级孔内扩散与线性吸附的耦合作用对宏观传质参数的影响。因此本项目拟利用体积平均理论在建立宏观传质参数与微观孔隙结构之间直接关系方面的优势，通过定义新的封闭方程变量，在封闭方程的积分约束中考虑吸附作用的方式，处理孔隙内扩散与孔隙壁面非线性吸附过程的耦合作用；将吸附平衡参数引入多尺度区域界面浓度关系的处理，实现多尺度区域的模型建立；采用数值方法产生多孔结构，结合理论模型预测其宏观传质特性并分别与实验测量、直接数值模拟的结果对比以验证理论模型。所建立的理论模型将为化工设备中高效多孔结构的设计提供一种理论工具。

多孔材料在CO2捕获储氢、气体分离、色谱分离、催化等方面具有广泛的应用。各种具有大比表面级、强吸附性能的多级孔材料被开发出来以满足上述应用。然而，伴随着大比表面积的是孔隙内传质阻力的增大。尤其是活性组分在微孔内同时进行扩散与吸附时，其传质速率非常慢。传质阻力使得相关设备的性能难以进一步提升，因此理论研究多级孔材料内的扩散、吸附行为并据此提出强化传质的方案对大量工程应用具有重要意义。本研究采用体积平均理论构建多尺度孔隙内扩散过程的理论模型以建立起孔隙结构与有效扩散系数的联系。考虑到孔隙的多尺度特点，以最小尺度孔隙及其表面为表征体元建立平均浓度控制方程，然后逐级上推，最终得到工业生产尺度的平均浓度控制方程，在此过程中得到有效扩散系数与各尺度区域内的保留因子的函数关系：从吸附等温线函数推导得到各尺度区域内保留因子随各尺度孔隙内浓度变化的函数，进而得到有效扩散系数随孔隙内浓度变化的函数，实现吸附过程与有效扩散过程的耦合。研究建立了一种多尺度孔隙内传质过程的理论模型，采用该理论模型揭示了分级孔材料内流体传递的一些规律，并用于指导相关设备的设计，提出了新型色谱柱结构以及强化传质的方法。本项目的研究结果可深化人们对多尺度多孔介质内部传质问题的认识并对微纳米多孔材料内的CO2吸收、储氢、气体分离、储能、色谱分离提供指导。