hrvatski

Analiza i modeliranje monolitnog reaktora

U zadnjih desetak godina učinjen je znatan napredak u razvoju i primjeni monolitnih izvedbi katalizatora, odnosno reaktora. Monolitne strukture posjeduju svojstva koja ih čine pogodnim za provedbu različitih reakcija, posebice u višefaznim sustavima. Trenutno je najveća i najpoznatija primjena monolitnih reaktora kao katalitičkih konvertera pri uklanjanju štetnih sastojaka iz ispušnih plinova motornih vozila. Predviđanje značajki i uporabnih svojstava takovih reaktora bitno je za njihovu sadašnju i buduću primjenu. Stoga se velik broj istraživačkih skupina bavi razvojem novih metoda priprave monolitnih katalizatora te razvojem i primjenom matematičkih modela kojima se može opisati složeno međudjelovanje kemijskih i fizičkih procesa koji se odigravaju unutar monolitne strukture. Koristeći različite pretpostavke o važnosti pojedinih kemijskih i fizičkih procesa unutar reaktora, njegovoj geometriji, prijenosu topline, složenosti heterogeno katalitičke reakcije, stacionarnom ili nestacionarnom radu, mogu se izvesti različiti matematički modeli monolitnih reaktora. Najjednostavniji su tzv. jednodimenzijski heterogeni modeli koji pretpostavljuju da se veličine stanja (koncentracija, temperatura) mijenjaju samo po dužini reaktora, uz pretpostavku da se kemijska reakcija odigrava isključivo na vanjskoj površini sloja katalizatora nanijetog na stijenke, uglavnom inertne, monolitne strukture. Složenost tih modela uzrokovana je složenošću kinetičkog modela, temperaturnim režimom i/ili nestacionarnošću rada. Složeniji modeli uzimaju u obzir laminarno strujanje kroz kanaliće monolitne strukture, prisutnost unutarfazne difuzije kroz katalitički sloj te složeniju geometriju kanalića. Ti se modeli obično nazivaju dvodimenzijski (2D) ili trodimenzijski (3D) heterogeni modeli. Naša istraživanja odnosila su se na eksperimentalno i teorijsko izučavanje neposredne katalitičke redukcije dušikovih oksida (NOx) u N2 i O2 u monolitnom reaktoru sa slojem zeolitnog katalizatora (Cu/ZSM-5). Primjenjivani su različiti matematički modeli, od jednostavnijih jednodimenzijskih do vrlo složenih 2D modela izvedenih uz pretpostavku laminarnog strujanja.Validacija modela provedena je usporedbom eksperimentalnih rezultata dobivenih pri različitim procesnim uvjetima (protoci i sastav plinova, temperatura, debljina sloja katalizatora i dr.) s teorijskim rezultatima dobivenim primjenom odgovarajućeg modela. Nađeno je da i jednostavniji modeli mogu zadovoljiti kriterij slaganja s eksperimentima. S druge strane, složeniji modeli daju veću mogućnost predviđanja ponašanja reaktora s obzirom na odabir procesnih parametara i rad u realnim uvjetima. Međutim, primjena složenijih modela zahtijeva poznavanje većeg broja parametara, kao što su koeficijent djelotvorne difuzije, De, koeficijent međufaznog prijenosa, kg i drugi, što ograničava njihovu primjenu. Zaključno treba spomenuti da izbor i primjena odgovarajućeg matematičkog modela zavisi najvećim dijelom o svrsi istraživanja, poznavanju potrebnog broja parametara kao i o mogućnosti nezavisnog eksperimentalnog određivanja potrebnih parametara. Prema očekivanjima, monolitne strukture će se sve više primjenjivati u kemijskim i biokemijskim procesima, pri masovnoj proizvodnji kemikalija, proizvodnji finih kemikalija i produkata posebne namjene, u katalitičkim i nekatalitičkim procesima za pročišćavanje ispušnih i dimnih plinova, u procesima katalitičkog izgaranja goriva te u različitim višefaznim procesima u kemijskoj procesnoj industriji. Nedvojbeno je da će važnu ulogu u ostvarenju navedenih ciljeva imati primjena temeljne metodologije kemijskog inženjerstva kao i rezultati istraživanja u području znanosti o materijalima.

monolitni reaktor; modeliranje; Cu/ZSM-5

nije evidentirano