Влияние формы частиц катализатора на тепло- и массообмен при паровой конверсии метана

Паровая конверсия метана (SMR) — сложный процесс с несколькими взаимозависимыми факторами. Важным элементом является теплообмен между реакционной средой и катализатором, что существенно влияет на конверсию CH4. В данной работе исследуется влияние формы частиц катализатора на характеристики теплообмена в ходе реакций SMR. Разработана численная модель на основе вычислительной гидродинамики (CFD) для сравнения различных форм катализатора и определения оптимальной формы. Проанализированы пять форм катализатора — сфера, цилиндр, кольцо Рашига, цилиндр с 7 отверстиями и трёхлопастная (trilobe) — при различных режимах работы (скорости на входе 0.25–1.5 м/с, температуры 700–1100 К и диаметры частиц 2.5–20 мм). Результаты показывают, что кольца Рашига и цилиндры с 7 отверстиями обладают наибольшим суммарным тепловым потоком, достигая до 276 Вт при оптимальных условиях (T = 1100 К, v = 1.5 м/с), тогда как сферические частицы диаметром 20 мм обеспечивают наибольшую плотность теплового потока (19 320 Вт/м2) благодаря обтекаемой геометрии. В то же время кольца Рашига дают наивысший массово-специфический тепловой поток (3 520 Вт/кг), превосходя цилиндры с 7 отверстиями на 12.5% и трёхлопастные частицы на 15%. Исследование показывает, что эффективность катализатора определяется тремя ключевыми факторами: большой площадью поверхности, низким сопротивлением потоку и обтекаемой формой. Эти выводы дают важные указания для оптимизации конструкции катализаторов в промышленных применениях SMR, с учётом баланса между эффективностью использования объёма реактора (в пользу сфер) и экономической целесообразностью (в пользу колец Рашига).