Применение модели Wall Surface Reaction к процессу хемосорбции сероводорода оксидом цинка

Введение

Есть широкий круг задач, посвященных гетерогенным реакциям. Одной из таких является задача очистки промышленных газов от сернистых соединений. Существуют два основных метода: холодная мокрая и горячая сухая очистка. В настоящей работе внимание будет сфокусировано на последнем способе. Горячая сухая сероочистка предполагает пропускание газа через пористый слой адсорбента. На поверхности сорбента начинается обменная реакция хемосорбции сероводорода, а также побочные восстановительные процессы, в ходе которых оксид цинка разрушается с выделением металлического цинка. Химический механизм выглядит следующим образом [Kagramanov, 2020]:

1. ZnO+H2S=ZnS+H2O
2. ZnO+H2=Zn+H2O
3. ZnO+CO=Zn+CO2

Обычно, при описании подобных процессов используются модели стягивающегося ядра, разновидности зернистых моделей, а также пятнистая модель, описанная в разных постановках в [Sohn, 1985; Fahim, 1978; Kagramanov, 2020]. В программе ANSYS Fluent модель стягивающегося ядра представлена в составе дискретных материалов типа Combusting, для ее активации необходимо подключение модели Particle Surface Reaction (PSR). Переход к многофазному потоку и дискретным частицам приводит к известным вычислительным трудностям (требуется введение дополнительного макроса заморозки скоростей частиц, который на сегодняшний день является бета-функцией ANSYS Fluent и полностью не поддерживается). С другой стороны, может потребоваться дополнительный макрос для учета удельной площади поверхности пористых частиц, поскольку модель стягивающегося ядра в модели PSR относится к сферам.

В качестве одного из альтернативных подходов упрощения постановки задачи можно рассмотреть модель Wall Surface Reaction (WSR). В таком случае, уже не придется использовать внешний код для учета удельной поверхности пористых частиц, в модели WSR он фигурирует, как базовый. В целом, модель WSR успешно применялась при расчете похожих процессов (адсорбция несгоревших углеводородов на поверхности угольного фильтра).

В настоящей работе будет рассмотрена модель Wall Surface Reaction и некоторые особенности ее применения к гетерогенным процессам хемосорбции сероводорода на поверхности оксида цинка.

Методика

В модели WSR реакция идет на поверхности, так называемые объемные компоненты (bulk species) не могут фигурировать в качестве реагентов, лишь как продукты реакции. В модели PSR в реакцию вступают и те компоненты, которые находятся на поверхности, и те, которые составляют объем частицы.

Рисунок 1 – Отличие подхода модели WSR от объемного реагирования

Таким образом, применение модели WSR для плотного слоя предполагает преобразование («размазывание») объемного слоя в плоский за счет возможности варьирования поверхностной плотности твердого реагента. В таком случае, плотность может значительно превышать действительную плотность молекул (например, ZnO) на поверхности пористого тела.

Рисунок 2 – Преобразование объемного плотного слоя в поверхностный по модели WSR

Результаты

При использовании вышеописанной методики определения поверхностной плотности и удельной площади поверхности удается решить обратную кинетическую задачу и свести результаты расчета с опытными данными путем подбора предэкспоненциального множителя.

Рисунок 3 – Динамика хемосорбции сероводорода при температуре 593 С

Рисунок 4 – Динамика хемосорбции сероводорода при температуре 482 С

Рисунок 5 – Динамика восстановления оксида цинка в водороде при 700 С

Нелинейность экспериментальных данных вызвана изменением удельной площади поверхности пористого тела в ходе реагирования, которое не учитывалось при настройке тестовой модели.

Заключение

Модель показала адекватные результаты для рассмотренных режимов работы ТГА реактора.

Список литературы

Fahim, M. A.; Wakao, N.; Ford, J. D. Gas-Solid Reactions in a Grain Cell Model for Complex Reactions. The Canadian Journal of Chemical Engineering. 1978, 56, 725 – 729

Sohn, H. Y.; Won, S. Successive Gas-Solid Reaction Model for the Hydrogen Reduction of Cuprous Sulfide in the Presence of Lime. Metallurgical Transactions, 1985, 16, 645 – 661

Yuri A. Kagramanov, Vladimir G. Tuponogov, Alexander F. Ryzhkov, and Alexander D. Nikitin

Industrial & Engineering Chemistry Research 2020 59 (29), 12943-12954