Том 337 № 3 (2026)
DOI https://doi.org/10.18799/24131830/2026/3/5134
Моделирование процесса получения метанола путем автотермической конверсии
Актуальность. Одним из серьезных вызовов для любого газового месторождения в условиях вечной мерзлоты является образование гидратных пробок внутри промысловых трубопроводов, где закупка и доставка до газового объекта необходимого количества ингибитора гидратообразования может стоить больших эксплуатационных затрат, вследствие чего рассмотрена и смоделирована малогабаритная установка получения метанола из синтез-газа путем автотермической конверсии. Цель. С помощью программного обеспечения Aspen Hysys смоделировать установку получения синтез-газа путем автотермической конверсии, а также установку получения метанола производительностью 50 т в сутки. Объекты: синтез газ, метанол, автотермическая конверсия метана, математическая модель получения метанола. Методы: Моделирование статической модели в программном обеспечении Aspen Hysys, использование «гетерогенных каталитических реакторов» для точности прогнозирования степени конверсия природного газа в синтез-газ. Результаты и выводы. Была смоделирована установка синтеза метанола производительностью 50 т в сутки. Установлено, что наиболее предпочтительна автотермическая конверсия метана для второй ступени реактора, т. к. в данной технологии наименьшее потребление метана на нагрев. Определено, что углекислотную конверсию метана не следует использовать из-за кратно большего потребления метана для нагрева реактора и требования дополнительной мембранной установки для отделения углекислого газа, используемого в реакции. Однореакторное исполнение неэффективно в условиях газовых объектов из-за большого потребления воды по сравнению с другими методами и низкой продуктивности по метанолу, также обязательным является введение ректификационных колон для отделения синтез-газа от избытков воды.
Для цитирования: Чемезов А.Д., Гильманов А.Я., Шевелёв А.П. Моделирование процесса получения метанола путем автотермической конверсии. Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов, 2026, Т. 337, № 3, С. 98–110. https://doi.org/10.18799/24131830/2026/3/5134
Ключевые слова:
синтез-газ, синтез метанола, автотермическая конверсия, статическая модель, технологическое моделирование в Aspen Hysys, моделирование химических реакторов
Библиографические ссылки:
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Китаев С.В., Колотилов Ю.В., Плотников А.Ю. Исследование эффективности ингибиторов гидратообразования в процессе добычи и транспорта углеводородов в морских условиях. Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов, 2021, Т. 332, № 2, С. 190–199. DOI: 10.18799/24131830/2021/02/3055
2. Тройникова А.А. Совершенствование методов предупреждения гидратообразования на газовых и газоконденсатных месторождениях: дис. ... канд. техн. наук. М., 2021. 150 с.
3. Кемалов Р.А., Кемалов А.Ф. Технологии получения и применения метанола. Казань: Казанский университет, 2016. 167 с.
4. LeBlanc J.R., Wilcher S.R. Methanol production technologies and processes. Luxembourg: Springer, 2022. 270 p.
5. Haldor Topsoe A/S. Low-pressure methanol synthesis: technical report. Lyngby: Haldor Topsoe A/S, 2020. 68 p.
6. Methanol production and applications. Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology. 5th ed. New York: Wiley, 2019. 38 p.
7. Степанов А.А., Коробицына Л.Л., Восмериков А.В. Исследование неокислительной конверсии метана на гранулированных Mo/ZSM-5 катализаторах. Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов, 2017, Т. 328, № 10, С. 59–66.
8. Мо-содержащие гранулированные цеолиты ZSM-5 различных кислотностей с иерархической пористостью в неоксидной конверсии метана. А.А. Степанов, Л.Л. Коробицына, А.В. Восмериков, Р.З. Куватова, А.А. Восмериков, Б.И. Кутепов, А.Х. Ишкилдина, О.С. Травкина. Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов, 2022, Т. 333, № 10, С. 86–97. DOI: 10.18799/24131830/2022/10/3679
9. A specific defect type of Cu active site to suppress Water-Gas-Shift reaction in syngas conversion to methanol over Cu catalysts. L. Ma, B. Wang, M. Fan, L. Ling, R. Zhang. Catalysis Science & Engineering, 2023. DOI: 10.1016/j.ces.2023.118496
10. Methanol production from natural gas reforming and CO2 capturing process, simulation, design, and technical-economic analysis. B.-P. Ren, Y.-P. Xu, Y.-W. Huang, C. She, B. Sun. Energy, 2023, Vol. 263, Part C, № 125879. DOI: 10.1016/j.energy.2022.125879
11. Seider W.D., Seader J.D., Lewin D.R. Product and process design principles: synthesis, analysis, and evaluation. 4th ed. Hoboken, New Jersey: Wiley, 2017. 778 p.
12. Conversion of municipals waste into syngas and methanol via steam gasification using CaO as sorbent: An Aspen Plus modelling. A.M. Ali, M. Shahbaz, M. Inayat, K. Shahzad, A.A. Al-Zahrani, A.B. Mahpudz. Fuel, 2023, Vol. 349, № 128640. DOI: 10.1016/j.fuel.2023.128640
13. Rezaei M., Meshkani F. Catalysts for methanol synthesis: a review. Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 2015, Vol. 21, P. 1015–1036.
14. Aasberg-Petersen K., Dybkjaer I. Natural gas conversion to methanol. Journal of Natural Gas Chemistry, 2019, Vol. 8, № 3, P. 125–137.
15. Investigation of methanol steam reforming reactors with different catalyst support structures on hydrogen production efficiency and methanol conversion. Y. Li, Z.-Y. Ma, Z.-Y. Qi, Z.-A. Xue, X.-L. Zhou, H. Guo. Fuel, 2025, Vol. 393, № 135079. DOI: 10.1016/j.fuel.2025.135079
16. Shu X., Chen H. Optimization of low-pressure methanol synthesis process in small-scale plants. AIChE Journal, 2018, Vol. 64, № 5, P. 1847–1859.
17. Internal carbon loop strategy for methanol production from natural gas: Multi-objective optimization and process evaluation. S.-J. Jo, T.-H. Kang, B.-J. Shin, J.-H. Mun, S. Devkota, J.-Y. Cha, S.A. Mazari, K.-M. Kim, U. Lee, C.-H. Shin, J.-H. Moon. Journal of Cleaner Production, 2023, Vol. 418, № 138140. DOI: 10.1016/j.jclepro.2023.138140.
18. Малотоннажные установки по производству метанола в газодобывающих районах Крайнего Севера. Р.Р. Юнусов, С.Н. Шевкунов, С.А. Дедовец, С.Н. Ушаков, К.Г. Лятс, А.П. Самойлов. Газовая промышленность, 2016, № 12, С. 45–50.
19. Zhang H., Smith R. Heat integration in methanol production processes. Chemical Engineering Transactions, 2014, Vol. 39, P. 67–72.
20. Optimization of low-pressure methanol synthesis process in small-scale plants. V.S. Arutyunov, L.N. Strekova, V.I. Savchenko, I.V. Sedov, A.V. Nikitin, O.L. Eliseev, M.V. Kryuchkov, A.L. Lapidus. Petroleum Chemistry, 2019, Vol. 59, № 4, P. 370–379. DOI: 10.1134/S0965544119040029
21. Rowshanzamir S., Safdarnejad S.M., Eikani M.H. A CFD model for methane autothermal reforming on Ru/γ-Al₂O₃ catalyst. Procedia Engineering, 2012, Vol. 42, P. 2–24.
22. Techno-economic evaluation of simultaneous methanol and hydrogen production via autothermal reforming of natural gas. U. Zahid, S.S. Khalafalla, H.A. Alibrahim, U. Ahmed, A.G.A. Jameel. Energy Conversion and Management, 2023, Vol. 296, № 117681. DOI: 10.1016/j.enconman.2023.117681
23. Gao F., Zhan H., Zeng Z.Y. A methanol autothermal reforming system for the enhanced hydrogen production: process simulation and thermodynamic optimization. International Journal of Hydrogen Energy, 2023, Vol. 48, № 5, P. 1758–1772.
24. Tang H. Y., Greenwood J., Erickson P. Modeling of a fixed-bed copper-based catalyst for reforming methanol: steam and autothermal reformation. International Journal of Hydrogen Energy, 2015, Vol. 40, № 25, P. 8034–8050.
25. Nomoto K., Miura H., Shishido T. Inhibitory effect of trace impurities on methanol reforming by Cu/ZnO/Al2O3 catalyst: steam reforming and autothermal reforming of model bio-methanol. Applied Catalysis B: Environmental, 2023, Vol. 325, № 122374.
REFERENCES
1. Kitaev S.V., Kolotilov Yu.V., Plotnikov A.Yu. Efficiency study of hydrate formation inhibitors during offshore hydrocarbon production and transport. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering, 2021, vol. 332, no. 2, pp. 190–199. (In Russ.) DOI: 10.18799/24131830/2021/02/3055
2. Troynikova A.A. Improvement of methods for hydrate formation prevention at gas and gas condensate fields. Cand. Diss. Moscow, 2021. 150 p. (In Russ.)
3. Kemalov R.A., Kemalov A.F. Methanol production and application technologies. Kazan, Kazan University Publ., 2016. 167 p. (In Russ.)
4. LeBlanc J.R., Wilcher S.R. Methanol production technologies and processes. Luxembourg, Springer, 2022. 270 p.
5. Haldor Topsoe A/S. Low-pressure methanol synthesis: technical report. Lyngby, Haldor Topsoe A/S, 2020. 68 p.
6. Methanol Production and Applications. Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology. 5th ed. New York, Wiley, 2019. 38 p.
7. Stepanov A.A., Korobitsyna L.L., Vosmerikov A.V. Investigation of methane non-oxidative conversion over granular Mo/ZSM-5 catalysts. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering, 2017, vol. 328, no. 10, pp. 59–66. (In Russ.)
8. Stepanov A.A., Korobitsyna L.L., Vosmerikov A.V., Kuvatova R.Z., Vosmerikov A.A., Kutepov,B.I., Ishkildina A.Kh., Travkina O.S. Mo-containing granular ZSM-5 zeolites with varying acidity and hierarchical porosity in non-oxidative methane conversion. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering, 2022, vol. 333, no. 10, pp. 86–97. (In Russ.) DOI: 10.18799/24131830/2022/10/3679
9. Ma L., Wang B., Fan M., Ling L., Zhang R. A specific defect type of Cu active site to suppress water-gas-shift reaction in syngas conversion to methanol over Cu catalysts. Catalysis Science & Engineering, 2023. DOI: 10.1016/j.ces.2023.118496.
10. Ren B.-P., Xu Y.-P., Huang Y.-W., She C., Sun B. Methanol production from natural gas reforming and CO2 capturing process, simulation, design, and techno-economic analysis. Energy, 2023, vol. 263 (Part C), no. 125879. DOI: 10.1016/j.energy.2022.125879.
11. Seider W.D., Seader J.D., Lewin D.R. Product and process design principles: synthesis, analysis, and evaluation. 4th ed. Hoboken, New Jersey, Wiley, 2017. 778 p.
12. Ali A.M., Shahbaz M., Inayat M., Shahzad K., Al-Zahrani A.A., Mahpudz A.B. Conversion of municipal waste into syngas and methanol via steam gasification using CaO as sorbent: An Aspen Plus modeling. Fuel, 2023, vol. 349, no. 128640. DOI: 10.1016/j.fuel.2023.128640.
13. Rezaei M., Meshkani F. Catalysts for methanol synthesis: a review. Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 2015, vol. 21, pp. 1015–1036.
14. Aasberg-Petersen K., Dybkjaer I. Natural gas conversion to methanol. Journal of Natural Gas Chemistry, 2019, vol. 8, no. 3, pp. 125–137.
15. Li Y., Ma Z.-Y., Qi Z.-Y., Xue Z.-A., Zhou X.-L., Guo H. Investigation of methanol steam reforming reactors with different catalyst support structures on hydrogen production efficiency and methanol conversion. Fuel, 2025, vol. 393, no. 135079. DOI: 10.1016/j.fuel.2025.135079.
16. Shu X., Chen H. Optimization of low-pressure methanol synthesis process in small-scale plants. AIChE Journal, 2018, vol. 64, no. 5, pp. 1847–1859.
17. Jo S.-J., Kang T.-H., Shin B.-J., Mun J.-H., Devkota S., Cha J.-Y., Mazari S.A., Kim K.-M., Lee U., Shin C.-H., Moon J.-H. Internal carbon loop strategy for methanol production from natural gas: Multi-objective optimization and process evaluation. Journal of Cleaner Production, 2023, vol. 418, no. 138140. DOI: 10.1016/j.jclepro.2023.138140.
18. Yunusov R.R., Shevkunov S.N., Dedovets S.A., Ushakov S.N., Lyats K.G., Samoilov A.P. Small-scale methanol production plants in gas-producing regions of the Far North. Gas Industry, 2016, no. 12, pp. 45–50. (In Russ.)
19. Zhang H., Smith R. Heat integration in methanol production processes. Chemical Engineering Transactions, 2014, vol. 39, pp. 67–72.
20. Arutyunov V.S., Strekova L.N., Savchenko V.I., Sedov I.V., Nikitin A.V., Eliseev O.L., Kryuchkov M.V., Lapidus A.L. Optimization of low-pressure methanol synthesis process in small-scale plants. Petroleum Chemistry, 2019, vol. 59, no. 4, pp. 370–379. DOI: 10.1134/S0965544119040029
21. Rowshanzamir S., Safdarnejad S.M., Eikani M.H. A CFD model for methane autothermal reforming on Ru/γ-Al₂O₃ catalyst. Procedia Engineering, 2012, vol. 42, pp. 2–24.
22. Zahid U., Khalafalla S.S., Alibrahim H.A., Ahmed U., Jameel A.G.A. Techno-economic evaluation of simultaneous methanol and hydrogen production via autothermal reforming of natural gas. Energy Conversion and Management, 2023, vol. 296, no. 117681. DOI: 10.1016/j.enconman.2023.117681
23. Gao F., Zhan H., Zeng Z.Y. Methanol autothermal reforming system for enhanced hydrogen production: Process simulation and thermodynamic optimization. International Journal of Hydrogen Energy, 2023, vol. 48, no. 5, pp. 1758–1772.
24. Tang H.Y., Greenwood J., Erickson P. Modeling of fixed-bed copper-based catalyst for reforming methanol: Steam and autothermal reformation. International Journal of Hydrogen Energy, 2015, vol. 40, no. 25, pp. 8034–8050.
25. Nomoto K., Miura H., Shishido T. Inhibitory effect of trace impurities on methanol reforming by Cu/ZnO/Al₂O₃ catalyst: Steam reforming and autothermal reforming of model bio-methanol. Applied Catalysis B: Environmental, 2023, vol. 325, no. 122374.
