湍流影响方形管道流中的合成甲醇生产：直接数值模拟（DNS）研究

提高合成甲醇生产效率对于采用碳中性甲醇技术至关重要。在本计算流体动力学（CFD）研究中，我们研究了具有矩形截面的毫管道中合成甲醇（CH$_3$OH）的生产。该管道涉及以 CO$_2$ 和 H$_2$ 为反应物的催化壁面反应。在体雷诺数 $Re_\mathrm{b} =$ 100、500、1100 和 2200（涵盖层流与湍流流态）下进行了直接数值模拟。我们研究了一种高催化剂负载，对应于气时空速 GHSV = 0.086、0.44、0.96 和 1.93 m$^3$/(kg$_\mathrm{cat}$ h)。结果具有以下特征。1）在传输限制化学下，湍流混合可显著增强甲醇生产，使管道出口处甲醇质量流率提高至多 56.4%。2）反应速率在靠近催化壁面观察到的湍流喷射/扫掠结构中分别达到局部极小/极大值。3）CO$_2$ 的单程转化效率与管道内的甲醇产率随雷诺数增加（停留时间缩短）而单调下降，相反，出口处甲醇质量流率随 $Re_\mathrm{b}$ 增加（反应物流入更高）而上升。这些结果表明，湍流传输可被用以提升直毫通道中的甲醇产率，尽管代价是增加反应物循环。