Сибирские химики предложили модель для оптимизации структурированного катализатора нового поколения

Тюменские и новосибирские химики построили геометрическую и математическую модель картриджа со стекловолоконными катализаторами и провели проверку его модели.
2023
мар
Сибирские химики предложили модель для оптимизации структурированного катализатора нового поколения
Сибирские химики предложили модель для оптимизации структурированного катализатора нового поколения

Подавляющее большинство химических процессов требуют применения катализаторов. В настоящее время на рынке есть несколько сотен видов этих наукоемких продуктов. Катализаторы критически важны в процессах нефтепереработки. В целях импортозамещения вопрос создания и разработки российских катализаторов становится чрезвычайно актуальным.

Перспективное решение в этой области – применение структурированных каталитических систем с использованием катализатора на основе микроволокнистых носителей, изготовленных в виде полотен из стеклянных, минеральных, керамических, углеродных, полимерных и других микроволокон.

Наиболее широко используемыми и хорошо изученными катализаторами на основе микроволокна являются стекло-волокнистые катализаторы (СВК). Как показали исследования, которые ранее проводились в Институте катализа им. Г.К. Борескова СО РАН, такие катализаторы продемонстрировали отличные характеристики в реакциях глубокого окисления углеводородов, органических и галогенорганических соединений и др.

К особенностям микроволокнистых катализаторов можно отнести их оригинальную геометрическую форму, высокую механическую прочность и гибкость, а также возможность организации структурированных систем различной геометрии и размеров, что позволяет реализовать принципиально новые варианты каталитических процессов. С другой стороны, процессы тепло- и массообмена в таких структурах ранее были мало исследованы и для продуктивной разработки и оптимизации новых технологий на их основе, помимо экспериментального изучения работы, необходимо применять наиболее современные передовые методы математического моделирования, в том числе основанные на численном гидродинамическом моделировании (computational fluid dynamics - CFD).

Хотя такие работы уже стали очень эффективным инструментом применительно к катализаторам других геометрических форм, таких как гранулы, монолиты, пены, сетчатые блоки и др., опыт детальных CFD-исследований микроволокнистых катализаторов был минимален в связи с их сложной внутренней структурой и связанной с нею высокой вычислительной сложностью.

Статья «CFD-моделирование структурированных картриджей со стекловолоконными катализаторами» химиков ТюмГУ и Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН (Новосибирск) к.т.н. Сергея Лопатина, к.х.н. Андрея Елышева и д.т.н. Андрея Загоруйко вышла журнале Chemical Engineering Research and Design.

Исследователям впервые удалось построить детальные геометрические модели элементов различных типов структурированных картриджей на основе СВК, а также провести их гидродинамическое моделирование. При этом за счет оригинальных подходов и глубокого понимания химических и физических процессов внутри картриджа модель удалось упростить для обеспечения разумного уровня её вычислительной сложности, при этом не потеряв в качестве моделирования. И хотя уровень сложности остался достаточно высоким, моделирование такой системы удалось выполнить без применения суперкомпьютеров.

Сопоставление результатов моделирования и экспериментальных данных, которые были получены авторами на предыдущих этапах работы, подтвердило, что модель с хорошей точностью описывает реальные каталитические картриджи разных типов. Важно, что при этом хорошо воспроизводились не только общие закономерности, но и влияние мелких геометрических деталей конструкции на наблюдаемую эффективность работы картриджей. Например, удалось довольно точно описать небольшие различия, возникающие при использовании каталитических стеклотканей сатинового и ажурного плетения.

Весьма интересным результатом явилось модельное воспроизведение сложного явления, связанного с течением потока реакционной смеси не только с лицевой стороны катализатора, но и с его «изнаночной» стороны. Существование этого важного явления, невозможного в катализаторах традиционных типов и обеспечивающего уникальные массообменные качества СВК, до этого исследования было всего лишь гипотезой, которая теперь получила серьезное подтверждение.

Предложенная модель может считаться успешно верифицированной. После этого она стала уже не просто результатом научного исследования, но и самодостаточным инструментом для нового цикла теоретических и практических работ. В частности, она будет использована как для оптимизации конструктивных параметров существующих картриджей, так и для разработки принципиально новых конструкций структурированных систем на основе СВК для различных практических приложений в сфере переработки углеводородного сырья и решения актуальных природоохранных задач.

Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках государственного задания для Института катализа им. Борескова (проект АААА-А21– 121011390010-7) и Тюменского государственного университета (договор № 075–03-2021-151). /8).

Источник: 

Управление стратегических коммуникаций и сайт Naked Science

Фото: Naked Science

Рубрики:
Меню