Впервые показано, что диффузия метанола в зерне катализатора H-ZSM-5/Al2O3 является аномальной и описывается уравнением диффузии с дробной производной по времени, а режим транспорта метанола является субдиффузионным. Цель работы - описание экспериментальных данных массопереноса метанола в зерне цеолисодержащего катализатора синтеза олефинов из метанола на основании решений уравнения диффузии второго закона Фика и уравнения диффузии с дробной производной по времени. Использован мезопористый катализатор на основе цеолита H-ZSM-5 и оксида алюминия с массовым соотношением цеолита к оксиду алюминия 3/1. Транспорт метанола изучен с использованием разработанного метода исследования процессов массопереноса в твердых пористых телах в проточном режиме, который основан на импульсном насыщении пористого образца, установленного в диффузионной ячейке, адсорбатом с дальнейшим хроматографическим анализом изменения количества десорбированного адсорбата во времени. Пористый образец устанавливается в диффузионной ячейке таким образом, что половина его поверхности заблокирована для доступа адсорбата, что позволяет применять граничные условия второго рода для решения уравнения диффузии. В результате проведения исследования получены зависимости относительной концентрации метанола на границе зерна катализатора во времени. Полученные экспериментальные зависимости на всей временной оси проанализированы на основании аналитического решения уравнения диффузии второго закона Фика, однако корреляции между теоретическими решениями и экспериментальными данными являются очень низкими. Асимптотический анализ экспериментальных данных, линеаризованных на больших временах в соответствии с решением уравнения обычной диффузии, показал, что уравнение второго закона Фика является неприменимым для описания полученных экспериментальных данных, поскольку тангенс угла наклона экспериментальных данных существенно отличается от теоретического значения, равного единице. В то же время анализ экспериментальных данных, линеаризованных на больших временах в логарифмических координатах, в соответствии с решением уравнения диффузии с дробной производной по времени, свидетельствует о хорошем совпадении между теоретическим решением и экспериментальными данными. Рассчитанные значения дробной размерности и дробного коэффициента диффузии не зависят от экспериментальных условий, то есть являются индивидуальной характеристикой пары пористое тело - диффузат и могут быть обусловлены адсорбцией метанола на поверхности катализатора. Значения дробной размерности меньше единицы, что свидетельствует о реализации субдиффузионного режима транспорта, который является замедленным по сравнению с обычной диффузией. На основании анализа массопереноса метанола в зерне цеолитсодержащего катализатора установлено, что решения уравнения диффузии с дробной производной по времени намного лучше описывают экспериментальные данные по сравнению с решениями обычного уравнения диффузии. Значения коэффициентов диффузии и дробной размерности, рассчитанные для больших времен массопереноса, соответствуют значениям коэффициентов диффузии и дробной размерности, полученным анализом массопереноса на всей временной оси. Установлено, что массоперенос метанола в зерне катализатора протекает в медленном суб-диффузионном режиме. Экспериментальное подтверждение наличия аномальной диффузии является фундаментальным для теоретического понимания процессов массопереноса и моделирования, а также для практического применения при решении инженерных задач.

  Повний текст PDF - 468.74 Kb    Зміст випуску     Цитування публікації

  Якщо, ви не знайшли інформацію про автора(ів) публікації, маєте бажання виправити або відобразити більш докладну інформацію про науковців України запрошуємо заповнити "Анкету науковця"