《分級孔內擴散與吸附過程的多尺度耦合體積平均理論》是依託西安交通大學，由閆孝紅擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：分級孔內擴散與吸附過程的多尺度耦合體積平均理論
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：閆孝紅
- 依託單位：西安交通大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
分級孔內的擴散與吸附過程是決定填充色譜柱、負載型催化劑等化工設備性能的控制過程。通過改進分級孔結構以強化傳質性能是一條提升相關設備性能的有效途徑，但由於缺乏合適的研究方法，孔隙結構、孔隙內擴散與孔隙壁面吸附耦合作用與巨觀傳質性能間的相互作用機制不明。預研結果表明體積平均理論能夠揭示並預測單級孔內擴散與線性吸附的耦合作用對巨觀傳質參數的影響。因此本項目擬利用體積平均理論在建立巨觀傳質參數與微觀孔隙結構之間直接關係方面的優勢，通過定義新的封閉方程變數，在封閉方程的積分約束中考慮吸附作用的方式，處理孔隙內擴散與孔隙壁面非線性吸附過程的耦合作用；將吸附平衡參數引入多尺度區域界面濃度關係的處理，實現多尺度區域的模型建立；採用數值方法產生多孔結構，結合理論模型預測其巨觀傳質特性並分別與實驗測量、直接數值模擬的結果對比以驗證理論模型。所建立的理論模型將為化工設備中高效多孔結構的設計提供一種理論工具。
結題摘要
多孔材料在CO2捕獲儲氫、氣體分離、色譜分離、催化等方面具有廣泛的套用。各種具有大比表面級、強吸附性能的多級孔材料被開發出來以滿足上述套用。然而，伴隨著大比表面積的是孔隙內傳質阻力的增大。尤其是活性組分在微孔內同時進行擴散與吸附時，其傳質速率非常慢。傳質阻力使得相關設備的性能難以進一步提升，因此理論研究多級孔材料內的擴散、吸附行為並據此提出強化傳質的方案對大量工程套用具有重要意義。本研究採用體積平均理論構建多尺度孔隙內擴散過程的理論模型以建立起孔隙結構與有效擴散係數的聯繫。考慮到孔隙的多尺度特點，以最小尺度孔隙及其表面為表征體元建立平均濃度控制方程，然後逐級上推，最終得到工業生產尺度的平均濃度控制方程，在此過程中得到有效擴散係數與各尺度區域內的保留因子的函式關係：從吸附等溫線函式推導得到各尺度區域內保留因子隨各尺度孔隙內濃度變化的函式，進而得到有效擴散係數隨孔隙內濃度變化的函式，實現吸附過程與有效擴散過程的耦合。研究建立了一種多尺度孔隙內傳質過程的理論模型，採用該理論模型揭示了分級孔材料內流體傳遞的一些規律，並用於指導相關設備的設計，提出了新型色譜柱結構以及強化傳質的方法。本項目的研究結果可深化人們對多尺度多孔介質內部傳質問題的認識並對微納米多孔材料內的CO2吸收、儲氫、氣體分離、儲能、色譜分離提供指導。
