Удельная внешняя поверхность блочных высокопористых проницаемых ячеистых материалов

УДК 544.723; 542.06; 542.81

В.В. Игнатенкова, А.В. Беспалов, В.Н. Грунский

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия

УДЕЛЬНАЯ ВНЕШНЯЯ ПОВЕРХНОСТЬ БЛОЧНЫХ ВЫСОКОПОРИСТЫХ ПРОНИЦАЕМЫХ ЯЧЕИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ

Computing results of specific external surface of catalytic layers of various structures are submitted. It is shown that catalytic layer of cellular structure is the most compact.

Представлены результаты расчета удельной внешней поверхности катализаторных слоев различной структуры. Показано, что повышенной компактностью обладает катализа-торный слой ячеистой структуры.

Поверхность катализаторного слоя, как внешняя, так и внутренняя, определяет эффективность работы каталитических реакторов. Высокоэффективной поверхностью можно считать компактную поверхность, приводящую к уменьшению катализаторного слоя, размещаемого в реакторе, что, в свою очередь, уменьшает стоимость катализатора и металлоемкость каталитического реактора, вплоть до изменения конструкции реактора. Высокопористые проницаемые ячеистые материалы (ВПЯМ) могут обеспечить более эффективное использование поверхности, особенно при высоких нагрузках на катализатор (высокие линейные скорости реагентов, высокое давление и т.д.). Структуру ВПЯМ рассматривают как имеющую ближний порядок совокупность элементарных ячеек по форме близких к додекаэдру, причем у каждой ячейки имеется 12 окон, соединяющих ее объем с объемами двенадцати соседних ячеек [1]. Структура проницаемого сетчатоячеистого материала непрерывна по свободному объему и по твердому материалу - перемычки и узлы их пересечений, толщина которых определяет проницаемость и, следовательно, гидравлическое сопротивление. Количественной оценкой компактности материала может служить удельная внешняя поверхность Sv, представляющая собой внешнюю поверхность материала, находящегося в единице объема, занятого катализаторным слоем.

Рассчитать компактность материала (удельную внешнюю поверхность Sv) можно по зависимости, основанной на структурной модели ВПЯМ в виде додекаэдра от параметров макроструктуры [2]:

= -Sj-A + 26-B-rt-6S'--гп]

5 С.-гк

где Гк - радиус порового канала; 8 - толщина перемычки; гп - радиус сферической поры; А, В, С, - зависимости, характеризующие геометрические свойства додекаэдра и объемную долю каналов.

Расчет по зависимости (1) сложен, поэтому для расчета удельной поверхности катализатора, находящегося в единице объема, занятого катализаторным слоем, используют метод, предложенный Пенгом и Ричардсоном [3]:

На рис. 1 и 2 приведены зависимости удельной внешней поверхности от диаметра ячейки с!., и порозности е. На рис. 2 приведена также удельная внешняя поверхность ВПЯМ, рассчитанная по уравнению (1).

Отметим, что характер зависимости удельной внешней поверхности от диаметра ячейки с!., и порозности е в значительной степени совпадает с характером зависимости, рассчитанной по уравнению (1), а по абсолютной величине с данными работ [2, 3].

Удельная внешняя поверхность (компактность) незначительно зависит от порозности (рис. 1), но в значительной мере - от размера пор при диаметре ячейки менее 2 мм (рис. 2).

Выбор размера ячейки исследуемых ВПЯМ связан с общепринятым интервалом диаметра ячейки ВПЯМ, равным 0,8-4,5 мм [1].

Рис. 1. Зависимость удельной внешней поверхности от порозности ВПЯМ.

1 - ВПЯМ с диаметром ячейки 1,26 мм; 2 - ВПЯМ с диаметром ячейки 2,45 мм; 3 - ВПЯМ с диаметром ячейки 3,00 мм.

Анализ рис. 1 и 2 показывает, что удельная внешняя поверхность для ВПЯМ может достигать значений на уровне удельной внешней поверхности пластинчато-ребристых и матричных поверхностей (2700 - 1500 м2/м3 для диаметра ячейки 1,2 - 2,4 мм и порозности 0,85 - 0,92 %). Это свидетельствует о большой компактности блочного носителя и катализатора ячеистой структуры.

С 1Ь 6 X II в химии и химической технологии. Том XXIV. 2010. № 2

Увеличение эквивалентного диаметра соты в блочном нанесенном катализаторе сотовой структуры приводит к уменьшению содержания активного компонента - палладия в нанесенном катализаторе [4]. Объяснить это можно только уменьшением удельной внешней поверхности катализатора, находящегося в единице объема, занятого катализаторным слоем, с увеличением первичного структурного параметра (эквивалентного диаметра соты).

Рис. 2. Зависимость удельной внешней поверхности от диаметра ячейки ВПЯМ.

1 - ВПЯМ с порочностью 0,85; 2 - ВПЯМ с порочностью 0,90; 3 - ВПЯМ с порочностью 0,95; 4 - ВПЯМ с порочностью 0,88, [2].

Возникает необходимость в сравнении удельной внешней поверхности катализаторного слоя различной структуры от изменения первичного структурного параметра (эквивалентного диаметра ячейки, соты, гранулы).

Удельную внешнюю поверхность гранул цилиндрической формы рассчитывали, принимая во внимание их геометрические параметры: диаметр зерна с!з и длину зерна 1з [5].

4 2

&> = — + —

<13 13

Эквивалентный диаметр зерна (гранулы) рассчитывали по формуле:

где Уз - объем зерна.

Под эквивалентным диаметром зерна (гранулы) понимаем диаметр сферического зерна, равновеликого (по объему) реальному зерну.

Эквивалентный диаметр каналов в блоках сотовой структуры рассчитывали как

4 • А

= 4ЯГ = —

П

где А - площадь поперечного сечения канала; П - периметр сечения канала; Кг - гидравлический радиус канала.

Эквивалентный диаметр ячейки в блоках ячеистой структуры рассчитывали по эмпирической формуле, предложенной в [1].

с1я = 0,55 с/^5

где с/я - средний диаметр ячейки.

с!э, мм

-♦—блочный катализатор сотовой структуры £=0,59 —блочный катализатор ячеистой структуры £=0,88 -д—гранулированный катализатор £=0,3

Рис. 3. Зависимость удельной внешней поверхности катализатора, находящегося в единице объема, занятого катализаторным слоем от структурного параметра

Удельную внешнюю поверхность катализатора ячеистой структуры, находящуюся в единице объема, занятого катализаторным слоем рассчитывали по зависимости (2), предложенной Пенгом и Ричардсоном [3], показавшей, что используя ее можно получить вполне надежные оценочные расчетные данные по

Удельную внешнюю поверхность сотовой структуры, находящуюся в единице объема, занятого катализаторным слоем, рассчитывали по выражению:

& = ^4г-

где *4 — гидравлический диаметр соты; с1с - эквивалентный диаметр

соты.

Если рассчитать долю свободной поверхности (порозности) 8 по формуле

<11

d

и подставив (8) в (7), получим

4 • є

& =

бАі

На рис. 3 представлены рассчитанные значения удельной внешней поверхности катализаторных слоев различной структуры.

Удельная внешняя поверхность катализаторного слоя ячеистой структуры имеет наибольшее значение по сравнению с организованным катализаторным слоем (сотовая структура) и с неорганизованным катализаторным слоем (гранулы в слое насыпаны «внавал»), что свидетельствует о большей компактности блочного катализатора ячеистой структуры. Изменение размера первичного структурного параметра (эквивалентного диаметра гранулы, ячейки, соты) оказывает большое влияние на изменение удельной внешней поверхности катализаторного слоя, особенно в диапазоне изменения с!э = 1,0 - 3,0 мм.

Библиографические ссылки

1. Анциферов В.Н. Проблемы порошкового материаловедения. 4.II. Высокопористые проницаемые материалы/В .Н. Анциферов, А.М. Беклемышев,

B.Г. Гилев, С.Е. Порозова, Г.П. Швейкин. - Екатеринбург: УрО РАН, 2002. -262 с.

2. Кулаков С.В. Моделирование структуры высокопористых ячеистых материалов//Перспективные материалы. 2000. N3. С. 22-26

3. Peng Y., Richardson J.T. Properties of ceramic foam catalyst supports: onedimensional and two-dimensional heat transfer correlations.// Applied Catalysis A: General 266 (2004) P. 235-244.

4. Соловьев С.А., Курилец ЯП., Жигайло Б.Д., Барабаш И.И., Богуславский

C.В. Блочные катализаторы сотовой структуры для очистки газовых выбросов производства азотной кислоты от оксидов азота.// Химическая промышленность. 2002. №4. С. 1-5.

5. Хувес ЯЗ., Петровская Г.П., Иваненко С.В. Опытно-промышленные испытания мелкозернистого катализатора окисления диоксида серы// Химическая промышленность. 2002. N2. С. 36-38