Математическое моделирование работы промышленного реактора парового риформинга метана; Известия Томского политехнического университета [Известия ТПУ]. Инжиниринг георесурсов; Т. 336, № 12 - Патрихин М. Ю. Михаил Юрьевич; Долганов И. М. Игорь Михайлович; Ивашкина Е. Н. Елена Николаевна; Дементьев А. Ю. Александр Юрьевич (2025, 2025)
Актуальность. Разработка и совершенствование математических моделей процесса парового риформинга природного газа являются ключевыми задачами для повышения эффективности процессов производства водорода и синтез-газа, оптимизации работы промышленного оборудования и сокращения энергетических затрат. Несмотря на значительную изученность процесса парового риформинга метана, модели, учитывающие расширенный углеводородный состав природного газа (содержание компонентов C2–C4), тепловые эффекты, реальные геометрические параметры реактора, требуют дальнейшего развития и валидации на базе данных эксплуатации. Цель. Разработка и верификация математической модели процесса парового риформинга природного газа, интегрирующей основные кинетические закономерности, геометрию реакционного объема, тепловые эффекты и реальные технологические параметры. Методы. Методы инженерной химической кинетики, численного решения дифференциальных уравнений (метод Эйлера и метод BDF), расчетов по уравнению Аррениуса, а также оптимизационные методы – дифференциальная эволюция и алгоритм Нелдера–Мида для подбора предэкспоненциальных коэффициентов и энергий активации. Программная реализация модели выполнена на языке Python. Для проверки достоверности модели проведено сравнение расчетных данных с литературными источниками и результатами эксплуатации промышленного реактора. Результаты и выводы. Разработаны две модели: на основе литературных данных и упрощённая модель реактора идеального вытеснения, включающая основные реакции парового риформинга метана, конверсии СО и паровой конверсии СО2. Численные расчёты позволили определить профиль концентраций компонентов вдоль реактора и оптимизировать кинетические параметры. Получены значения, обеспечивающие близкие к фактическим концентрации продуктов на выходе из промышленного реактора (погрешность по водороду до 1 %). Наибольшая погрешность наблюдается по остаточному содержанию метана, что связано с отсутствием учёта реакций пиролиза углеводородов С2+. Дополнительно рассчитан критерий Тиле, показавший, что реакции риформинга метана протекают в переходной кинетико-диффузионной области, а расчёт для реакции конверсии СО требует уточнения. Полученные результаты подтверждают корректность разработанной модели и её применимость для инженерных расчётов, дальнейшая работа будет направлена на расширение кинетической схемы за счёт включения реакций пиролиза углеводородов С2+