Журнал Современные наукоемкие технологии 1812-7320 Общество с ограниченной ответственностью "Издательский Дом "Академия Естествознания" 10.17513/snt.40649 ART-40649 ПРИМЕНЕНИЕ ТРИЖДЫ ПЕРИОДИЧЕСКИХ МИНИМАЛЬНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ В КАЧЕСТВЕ КАТАЛИЗАТОРОВ ПАРОВОЙ КОНВЕРСИИ МЕТАНА Мустафин Р.М. Mustafin R.M. ravil-bk211@mail.ru Зинина С.А. Zinina S.A. zininasofa@mail.ru Кузнецов И.Е. Kuznetsov I.E. kuznetsovZV@mail.ru Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Самарский государственный технический университет» Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education “Samara State Technical University” 09 01 2026 1 59 63 This is an open-access article distributed under the terms of the CC BY 4.0 license. https://top-technologies.ru/article/view?id=40649

Развитие водородной энергетики, призванной заменить ископаемое топливо, требует совершенствования технологий. Основной промышленный метод получения водорода – паровая конверсия метана, где эффективность катализаторов критически зависит от их формы. Целью работы является сравнение инновационных форм катализатора на основе трижды периодических минимальных поверхностей (ТПМП) с традиционными для формирования рекомендаций по изготовлению катализаторов. В работе проанализированы три формы, основанные на трижды периодических минимальных поверхностях: Schwarz – P (Primitive), Schwarz – PL (Primitive Lattice), Neovius и одна форма катализатора в виде цилиндра. В качестве метода исследования выбрано численное моделирование (CFD) реактора с различными формами катализатора. В результатах представлены контуры распределения температур, мольного содержания водорода и графики зависимости выхода водорода и перепада давления от критерия Рейнольдса. Сделан вывод, что использование форм, основанных на трижды периодических минимальных поверхностях, дает прирост к конверсии метана и выходу водорода по сравнению с цилиндрическими формами. Самая высокая степень конверсии метана была обнаружена на частицах формы Neovius. Однако катализаторы в виде трижды периодических минимальных поверхностей создают высокое гидравлическое сопротивление. Внедрение подобных форм катализатора должно сопровождаться дополнительным технико-экономическим анализом.

The development of hydrogen energy, designed to replace fossil fuels, requires improved technology. The main industrial method of producing hydrogen is steam conversion of methane, where the effectiveness of catalysts critically depends on their shape. The aim of the work is to compare innovative catalyst forms based on thrice periodic minimum surfaces (TPMS) with traditional ones to form recommendations for the manufacture of catalysts. The paper analyzes three shapes based on three times periodic minimal surfaces: Schwarz – P (“Primitive”), Schwarz – PL (“Primitive Lattice”), Neovius and one shape of the catalyst in the form of a cylinder. Numerical simulation (CFD) of a reactor with various forms of catalyst was chosen as the research method. The results show the contours of the temperature distribution, molar hydrogen content, and graphs of the dependence of hydrogen yield and pressure drop on the Reynolds criterion. It is concluded that the use of molds based on thrice periodic minimum surfaces provides an increase in methane conversion and hydrogen yield compared to cylindrical molds. The highest degree of methane conversion was found on Neovius particles. However, catalysts in the form of thrice periodic minimum surfaces create high hydraulic resistance. The introduction of such forms of catalyst should be accompanied by additional technical and economic analysis.

 возобновляемая энергетика водород паровая конверсия метана CFD-моделирование Ansys Fluent ТПМП renewable energy hydrogen steam methane reforming CFD modeling Ansys Fluent TPMP

1. Lubitz W., Tumas W. Hydrogen: an overview // Chemical reviews. 2007. Т. 107. № 10. С. 3900-3903. DOI: 10.1021/cr050200z.

2. Menaa A., Amrouche F., Lounici M.S., Loubar K. Experimental investigation of hydrogen use in dual fuel and like dual fuel mode // Fuel. 2025. Т. 393. С. 135031. DOI: 10.1016/j.fuel.2025.135031.

3. Kumar N.R.S., Suryan A., Manju M.S. Hydrogen As An Alternative Aviation Fuel-A Review // Ammonia and Hydrogen for Green Energy Transition. 2024. С. 265-286. DOI: 10.1007/978-981-97-0507-8_12.

4. Брагин Д.М., Еремин А.В., Попов А.И., Шульга А.С. метод определения коэффициента эффективной теплопроводности пористого материала на основе минимальной поверхности типа Schoen’s I-WP (R) // Вестник Ивановского государственного энергетического университета. 2023. № 2. С. 61-68. DOI: 10.17588/2072-2672.2023.2.061-068.

5. Брагин Д.М., Еремин А.В. Исследование тепловых свойств пористых полимерных материалов на основе минимальных поверхностей Шварца // Инженерный вестник Дона. 2023. № 9 (105). С. 36. EDN: CFTSYP.

6. Ouda M., Al-Ketan O., Sreedhar N., Ali M.I.H., Al-Rub R.K.A., Hong S., Arafat H.A. Novel static mixers based on triply periodic minimal surface (TPMS) architectures // Journal of Environmental Chemical Engineering. 2020. Т. 8. № 5. С. 104289. DOI: 10.1016/j.jece.2020.104289.

7. Guan Y., Zhang X., Cao X., Yang H., Wang S., Cao W., He C. Dual-material TPMS metamaterial with high load-bearing capacity and performance stability // International Journal of Mechanical Sciences. 2025. С. 110613. DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2025.110613.

8. Al-Ketan O., Lee D.W., Rowshan R., Al-Rub R.K.A. Functionally graded and multi-morphology sheet TPMS lattices: Design, manufacturing, and mechanical properties // Journal of the mechanical behavior of biomedical materials. 2020. Т. 102. С. 103520. DOI: 10.1016/j.jmbbm.2019.103520.

9. Feng J., Fu J., Yao X., He Y. Triply periodic minimal surface (TPMS) porous structures: from multi-scale design, precise additive manufacturing to multidisciplinary applications // International Journal of Extreme Manufacturing. 2022. Т. 4. № 2. С. 022001. DOI: 10.1088/2631-7990/ac5be6.

10. Guo X., Ding J., Li X., Qu S., Song X., Fuh J.Y.H., Zhai W. Enhancement in the mechanical behaviour of a Schwarz Primitive periodic minimal surface lattice structure design // International Journal of Mechanical Sciences. 2022. Т. 216. С. 106977. DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2021.106977.

11. Tang W., Zhou H., Zeng Y., Yan M., Jiang C., Yang P., Zhao Y. Analysis on the convective heat transfer process and performance evaluation of Triply Periodic Minimal Surface (TPMS) based on Diamond, Gyroid and Iwp // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2023. Т. 201. С. 123642. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2022.123642.

12. Hu Y., Zhang Z., Zhang Y., Yuan L., Xia R. Torsional Mechanical Behavior of TPMS Porous Structures: Experimental Insights on Diamond, Gyroid, and Schwarz Primitive Designs // Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures. 2025. DOI: 10.1111/ffe.70018.

13. Ansari D., Duwig C. A gyroid TPMS heat sink for electronic cooling // Energy Conversion and Management. 2024. Т. 319. С. 118918. DOI: 10.1016/j.enconman.2024.118918.

14. Dutkowski K., Kruzel M., Rokosz K. Review of the state-of-the-art uses of minimal surfaces in heat transfer // Energies. 2022. Т. 15. № 21. С. 7994. DOI: 10.3390/en15217994.

15. Xu J., Froment G.F. Methane steam reforming, methanation and water‐gas shift: I. Intrinsic kinetics // AIChE journal. 1989. Т. 35. № 1. С. 88-96. DOI: 10.1002/aic.690350109.