中国科学院过程工程研究所机构知识库

催化剂一般具有复杂的多级孔道结构，其催化性能与孔道结构、活性成分以及操作条件等密切相关。研究催化剂孔道内的反应-扩散耦合过程，明确催化性能与复杂孔道结构之间的关联规律，实现催化剂结构和性能的量化调控对催化剂研制和优化设计具有重要意义。揭示催化剂孔道结构对孔道内反应和扩散性能的调控规律是其中的关键问题。实验上由于受测量手段和时空分辨率的限制，无法对纳微尺度孔道内的反应-扩散耦合过程进行研究；传统的分子动力学（MD）方法难以对化学反应过程进行模拟，且模拟气体扩散过程时计算效率低下。因此，发展新的模型和方法实现对催化剂复杂孔道内反应-扩散耦合过程的模拟，不仅具有科学意义，同时也具有一定的工业应用价值。本论文采用硬球-拟颗粒(HS-PPM)耦合方法并结合简化的集总反应模型，对C4烯烃催化裂解过程中反应物和产物在孔道内的反应-扩散耦合过程进行了模拟。论文中提出了一种多孔结构可控设计方法，能够对孔隙率、孔径和孔体积占比等进行独立可量化的调控，同时构建了不同孔道结构连接方式的孔道模型，定义了对反应性能、扩散性能以及催化性能进行量化表征的参数。论文的主要研究成果如下：（1）提出一种新的复杂多级孔道结构的构建方法，并建立了C4烯烃催化裂解过程的简化集总反应动力学模型。通过对可控孔道结构内反应-扩散耦合过程模拟，验证了可控孔道结构模型的有效性和准确性，为催化剂优化设计提供了一种孔道结构量化调控的方法。（2）提出了反应-扩散耦合度参数对反应-扩散耦合性能进行量化表征，分别考察了孔道结构不同连接方式、孔隙率和孔径分布等对催化剂性能的影响。结果表明对于最佳连接方式的孔道结构，孔道内的扩散过程仍然受限；增大孔隙率可显著提高时空收率、转化率。对包含三种孔径（D1