Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Ф едеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Инженерная школа природных ресурсов

Направление подготовки 18.03.01 «Химическая технология»

Образовательная программа «Технология подготовки и переработки нефти и газа»

ОТЧЕТ ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ № 3

Название работы

Моделирование процессов в пористом зерне катализатора

Вариант

Вариант 24

По дисциплине

Макрокинетика химических процессов

Студент

Группа	ФИО	Подпись	Дата
2Д12	Чижова Анастасия Васильевна

Руководитель

Должность	ФИО	Ученая степень, звание	Подпись	Дата
Ассистент	Аркенова С.Б.

Томск – 2025 г.

Цель работы:

1. Ознакомиться с методикой построения математических моделей процессов, протекающих в зерне катализатора.

2. Рассчитать макрокинетические параметры: фактор эффективности и параметр Тиле.

3. Исследовать изменение концентрации в зерне катализатора (сферическая форма) при протекании химической реакции.

4. Исследовать влияние параметров модели на значения фактора эффективности и параметра Тиле.

Теоретическая часть Пористая структура катализатора и модели пористой структуры

Обычно катализаторы, использующиеся в химической промышленности, представляют собой гранулы, таблетки, кольца, цилиндры и др., с высокоразвитой внутренней поверхностью. Величина внутренней поверхности для различных промышленных катализаторов колеблется от долей квадратного метра до сотен квадратных метров на грамм и превышает в десятки и сотни тысяч раз их наружную поверхность. Внутренняя пористая структура катализатора образуется или путем склеивания, слипания, спекания отдельных мелких частичек, или в процессе образования катализатора из массивного материала, когда продукты разложения удаляются с образованием пустот, каналов и полостей внутри частиц.

Основой математического моделирования промышленных гетерогенных каталитических процессов является математическое описание на отдельном зерне катализатора. Анализ процессов тепло- и массопереноса в единичном зерне катализатора важен еще и потому, что позволяет наметить пути выбора или синтеза оптимальных промышленных катализаторов, поскольку от интенсивности процесса переноса в зерне катализатора зависит не только удельная каталитическая активность катализатора, но и избирательность процесса.

Так как внутренняя поверхность зерна катализатора становится доступной для реагентов за счет молекулярной диффузии, то диффузия не тормозит процесс в том случае, если скорость ее оказывается не меньше, чем скорость всех остальных процессов. Следовательно, при математическом описании процессов переноса, определяющих проведение экзотермических реакций с заметными скоростями, большими тепловыми эффектами и значительной энергией активации, необходимо использовать уравнение связанного тепло- и массопереноса.

В связи с тем, что форма и размеры внутренних образований, как правило, неодинаковы, каждая таблетка катализатора будет иметь свою детальную структуру и соответствующее ей описание протекания реакции. Используются модели структуры, которые отражают главные черты протекания процесса на пористом зерне катализатора. Выбор модели зависит от конечной цели исследования. Модели могут быть различными на разных этапах исследования.

Существуют несколько моделей пористой структуры зерен катализатора.

1. Капиллярная модель. Эта модель предполагает, что гранула катализатора состоит из набора цилиндрических капилляров с некоторым заданным радиусом Rкап.

2. Квазигомогенная (диффузионная) модель (см. ниже).

3. Глобулярная модель. По данной модели гранула катализатора представляется как совокупность сферических частиц одинакового размера. Размеры пор рассчитываются исходя из диаметра частиц в местах их наиболее близкого соприкосновения.

4. Полидисперсная модель. Предполагается, что гранула катализатора – это совокупность частиц, образующих капилляры различных размеров. Наиболее широко распространено представление о пористой структуре зерна катализатора, в виде бидисперсной структуры, то есть считается, что зерно катализатора состоит из микро- и макропор. Причем макропоры считаются транспортными порами, в которых диффузионных осложнений не возникает.