Tổng hợp Cacbon Nanon ống từ Etan trên cơ sở xúc tác Fe/γ-Al2O3 Phần 3. Mô hình hóa quá trình tổng hợp Cacbon Nano ống bằng phần mềm Comsol Multiphysics

Bài báo mô phỏng quá trình thay đổi nồng độ khí etan, hydro và cacbon trên xúc tác Fe/?-Al2O3, xác định mối liên quan của hoạt tính xúc tác đến sự hình thành cacbon nano ống và sự phân bố áp suất, vận tốc dòng khí trong thiết bị phản ứng bằng phần mềm COMSOL Multiphysics. Kết quả cho thấy hiệu suất tổng hợp CNT tối ưu ở thời gian 2 giờ, vận tốc dòng 6 cm/phút và phù hợp với các nghiên cứu thực nghiệm tối ưu hóa đã thực hiện trước đây.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Tổng hợp Cacbon Nanon ống từ Etan trên cơ sở xúc tác Fe/γ-Al2O3 Phần 3. Mô hình hóa quá trình tổng hợp Cacbon Nano ống bằng phần mềm Comsol MultiphysicsNghiªn cøu khoa häc c«ng nghÖ Tæng hîp cacbon nano èng tõ Etan trªn c¬ së xóc t¸c Fe/-Al2O3 PhÇn 3. M« h×nh hãa qu¸ tr×nh tæng hîp cacbon nano èng b»ng phÇn mÒm COMSOL Multiphysics huúnh anh hoµng*, Hµ V¨n Thøc**, Lª v¨n thô*** Tãm t¾t: Bµi b¸o m« pháng qu¸ tr×nh thay ®æi nång ®é khÝ etan, hydro vµ cacbon trªn xóc t¸c Fe/-Al2O3, x¸c ®Þnh mèi liªn quan cña ho¹t tÝnh xóc t¸c ®Õn sù h×nh thµnh cacbon nano èng vµ sù ph©n bè ¸p suÊt, vËn tèc dßng khÝ trong thiÕt bÞ ph¶n øng b»ng phÇn mÒm COMSOL Multiphysics. KÕt qu¶ cho thÊy hiÖu suÊt tæng hîp CNT tèi u ë thêi gian 2 giê, vËn tèc dßng 6 cm/phót vµ phï hîp víi c¸c nghiªn cøu thùc nghiÖm tèi u hãa ®· thùc hiÖn tríc ®©y.Tõ kho¸: CNT, Etan, Fe/-Al2O3, CVD, COMSOL Multiphysics. 1. më ®Çu Tæng hîp cacbon nano èng (CNT) b»ng xóc t¸c l¾ng ®äng hãa häc trong pha h¬i(CVD) lµ ph¬ng ph¸p cã triÓn väng nhÊt ®Ó s¶n xuÊt CNT ë qui m« lín do chóng cãchi phÝ s¶n xuÊt thÊp vµ hiÖu suÊt cao. Trong c¸c c«ng bè tríc ®©y [1, 2], chóng t«i ®· tiÕn hµnh kh¶o s¸t qu¸ tr×nh tænghîp CNT tõ etan trªn c¬ së xóc t¸c Fe/-Al2O3 b»ng ph¬ng ph¸p CVD vµ kh¶o s¸t c¸ctÝnh chÊt cña vËt liÖu thu ®îc. ë ®ã, ¶nh hëng cña ba yÕu tè ®Õn hiÖu suÊt t¹o thµnhCNT lµ nång ®é etan, nhiÖt ®é vµ vËn tèc dßng khÝ qua hÖ ph¶n øng ®· ®îc kh¶o s¸t vµtèi u hãa. Qu¸ tr×nh cacbon l¾ng ®äng trªn bÒ mÆt cña xóc t¸c Fe/-Al2O3 thêng ®îcquan s¸t trong qu¸ tr×nh hydrocacbon vµ viÖc l¾ng ®äng cacbon cã ¶nh hëng ®Õn ho¹ttÝnh xóc t¸c còng nh vËn tèc cña dßng khÝ qua xóc t¸c [3-5]. Trong nghiªn cøu nµy,chóng t«i sö dông phÇn mÒm COMSOL Multiphysics [6, 7] ®Ó m« pháng sù thay ®æinång ®é cña c¸c chÊt trong èng th¹ch anh, mèi liªn quan cña ho¹t tÝnh xóc t¸c ®Õn sùh×nh thµnh CNT, sù ph©n bè ¸p suÊt vµ vËn tèc dßng khÝ trong thiÕt bÞ ph¶n øng. KÕt qu¶m« pháng nh»m gióp ta cã thªm th«ng tin trong viÖc ®Þnh híng thiÕt kÕ, lùa chän hÖthiÕt bÞ ph¶n øng phï hîp ®ång thêi xem xÐt vµ kh¼ng ®Þnh l¹i c¸c kÕt qu¶ x¸c ®Þnh gi¸trÞ c«ng nghÖ tèi u ¶nh hëng ®Õn qu¸ tr×nh tæng hîp CNT cña c¸c nghiªn cøu thùcnghiÖm tríc ®©y. 2. thùc nghiÖmC¬ së cña m« h×nhEtan bÞ khö trªn xóc t¸c Fe/-Al2O3 theo ph¬ng tr×nh ph¶n øng sau: C2 H 6   2C + 3H 2 (1) Tèc ®é ph¶n øng nh sau:T¹p chÝ Nghiªn cøu KH&CN Qu©n sù, Sè 29, 02 - 2014 83 Hãa häc p3H2 p C2 H 6 - KP mol r = k. 2 , 3 (2) (1+k H pH2 ) m .strong ®ã: 104200 J/mol mol k = 2,31.10-5 .exp (20,492- ), 3 R gT m .s.bar 163200 J/mol k H = exp ( - 22426), (bar) -1/2 R gT 91200 J/mol K P = 5088.105 .exp (- - 22426), bar R gTC¸c th«ng sè vËt lý vÒ èng ph¶n øng th¹ch anh ®îc tr×nh bµy t¹i h×nh 1. H×nh 1. M« pháng thiÕt bÞ ph¶n øng èng th¹ch anh.C¸c th«ng sè chÝnh ®Çu vµo cña m« h×nh ®îc tr×nh bµy t¹i b¶ng 1. B¶ng 1. C¸c th«ng sè ®Çu vµo m« h×nh COMSOL . STT Tªn môc §¬n vÞ Gi¸ trÞ 1 C2H6 (C0) [mol/m3] 50 2 Ho¹t tÝnh xóc t¸c (a) 1 3 NhiÖt ®é tæng hîp (T) [oC] 700 4 ChiÒu dµi èng ph¶n øng (L) [m] 1 5 §êng kÝnh èng ph¶n øng (D) [m] 0,1 6 ChiÒu dµi vïng xóc t¸c (l) [m] 0,4 3. kÕt qu¶ vµ th¶o luËn KÕt qu¶ m« pháng sù thay ®æi nång ®é cña khÝ etan, hydro vµ cacbon l¾ng ®ängtrªn xóc t¸c Fe/-Al2O3 trong èng th¹ch anh ®îc tr×nh bµy t¹i h×nh 2.84 H. A. Hoµng, H.V.Thøc, L. V. Thô,Tæng hîp cacbon nano èng... COMSOL MultiphysicsNghiªn cøu khoa häc c«ng nghÖKÕt qu¶ cho thÊy, cacbon h×nh thµnh rÊt n ...