近日，我校催化反应工程团队在催化剂颗粒外形设计研究中取得重要突破，相关成果以“Particle geometry design for reaction‑transport coupling in n‑butane partial oxidation: A particle‑resolved CFD study”为题发表在化学工程领域权威期刊《AIChE Journal》上。

正丁烷氧化制顺酐是强放热催化过程，工业上普遍面临催化剂床层“热点”温度过高、目标产物选择性下降等难题。催化剂颗粒外形是调控反应-传递耦合行为的关键变量，但长期以来缺乏系统、定量的设计指导。

团队采用颗粒分辨计算流体力学方法，对拉西环、蛋壳型、四孔圆柱和七孔圆柱四种工业典型颗粒进行了系统比较。结果表明，拉西环凭借其独特的中央贯通孔道，在反应性能与热调控之间取得了最优平衡。

在此基础上，研究团队创新性地提出了“齿柱”形颗粒设计，并系统考察了齿数和内径的影响。优化后的八齿圆柱（内径2.4 mm）在保持热点温度基本不变的情况下，将催化剂装填量降低了23.97%，同时顺酐收率从39.29%提升至39.45%，实现了“降本增效”的双重目标。

该研究为强放热反应体系中催化剂颗粒外形的理性设计提供了新思路和新工具。所提出的外形设计策略不仅适用于顺酐生产，还可为其他存在严重热效应和扩散限制的催化过程提供参考。

论文第一作者为博士研究生刘祥坤。研究得到了国家自然科学基金、教育部学科突破计划及上海市基础研究特区计划等项目的资助。

原文链接：https://aiche.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aic.70464