Том 336 № 12 (2025)
DOI https://doi.org/10.18799/24131830/2025/12/5278
Математическое моделирование работы промышленного реактора парового риформинга метана
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+.
Ключевые слова:
паровой риформинг метана, водород, трубчатый реактор, кинетика реакций, математическое моделирование
Библиографические ссылки:
1. Dixon R.K., Li J., Wang M.Q. Progress in hydrogen energy infrastructure development – addressing technical and institutional barriers // Compendium of Hydrogen Energy. – 2016. – Vol. 2. – P. 323–343. DOI: 10.1016/B978-1-78242-362-1.00013-4.
2. Аркенова С.Б., Ивашкина Е.Н., Гриценко Е.Ф. Прогнозирование работы промышленной установки гидроочистки вакуумного дистиллята с применением математической модели // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2025. – Т. 336 – № 3. – С. 183–192. DOI: 10.18799/24131830/2025/3/4895
3. A review of Fischer Tropsch synthesis process, mechanism, surface chemistry and catalyst formulation / H. Mahmoudi, M. Mahmoudi, O. Doustdar, H. Jahangiri, A. Tsolakis, S. Gu, M. Lech-Wyszynski // Biofuels Engineering. – 2017. – Vol. 2. – P. 10–30. DOI: 10.1515/bfuel-2017-0002.
4. Sehested J. Four challenges for nickel steam-reforming catalysts // Catalysis Today. – 2006. – Vol. 111. – P. 103–110. DOI: 10.1016/j.cattod.2005.10.002.
5. Hydrogen production through sorption-enhanced steam methane reforming and membrane technology: a review / L. Barelli, G. Bidini, F. Gallorini, S. Servili // Energy. – 2008. – Vol. 33. – P. 554–570. DOI: 10.1016/j.energy.2007.10.018.
6. Ammonia synthesis: state of the bellwether reaction / A. Hellman, K. Honkala, S. Dahl, C.H. Christensen, J.K. Norskov // Comprehensive Inorganic Chemistry (Second Edition): From Elements to Applications. – 2013. – Vol. 7. – P. 459–474. DOI: 10.1016/B978-0-08-097774-4.00725-7.
7. Msheik M., Rodat S., Abanades S. Methane cracking for hydrogen production: a review of catalytic and molten media pyrolysis // Energies. – 2021. – Vol. 14. – P. 1–35. DOI: 10.3390/en14113107.
8. Xu J., Froment G.F. Methane steam reforming, methanation and water-gas shift: I. Intrinsic kinetics // AIChE Journal. – 1989. – Vol. 35. – P. 88–96. DOI: 10.1002/aic.690350109.
9. A. Khaghani, Moghaddam M.S., Kheshti M.F. Investigation of the liquid-vapor equilibrium in the mixture of carbon dioxide and normal alkanes in binary systems using the Peng-Robinson equation of state modified with mixing rules // Chemical Thermodynamics and Thermal Analysis. – 2025. – Vol. 17. – P. 100–161. DOI: 10.1016/j.ctta.2025.100161.
10. Yao L., Xia Y., Xu Y. Stability of implicit deferred correction methods based on BDF methods // Applied Mathematics Letters. – 2024. – Vol. 158. – P. 109–255. DOI: 10.1016/j.aml.2024.109255.
11. Modeling of laboratory steam methane reforming and CO₂ methanation reactors / P. Costamagna, F. Pugliese, T. Cavattoni, G. Busca, G. Garbarino // Energies. – 2020. – Vol. 13. – P. 2624. DOI: 10.3390/en13102624.
12. Thiele E.W. Relation between catalytic activity and size of particle // Industrial and Engineering Chemistry. – 1939. – Vol. 31. – P. 916–920. DOI: 10.1021/ie50355a027
13. Fogler H.S. Elements of Chemical Reaction Engineering. – India, New Delhi: Upper Saddle River: Prentice Hall, 2006. – 869 p.
14. Bird R., Stewart W., Lightfoot E. Transport phenomena. – USA; New York: John Wiley and Sons, 2002. – 620 p.
15. Поветкин А.Д., Чан Х.К., Кольцова Э.М. Математическая модель явлений, протекающих в поре, на основе молекулярной динамики // Успехи в химии и химической технологии. – 2011. – Т. 25. – № 1. – С. 22–26. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/matematicheskaya-model-yavleniy-protekayuschih-v-pore-na-osnove-molekulyarnoy-dinamiki (дата обращения 28.08.2025).
16. Bell D.A., Towler B.F., Fan M. Coal gasification and its applications // Chapter 3 – Gasification Fundamentals. – New York: William Andrew Publishing, 2011. – P. 35–71. DOI: 10.1016/B978-0-8155-2049-8.10003-8.
17. Shah Y.T., Hightower J.W. Gas-liquid-solid reactor design. – Columbus: McGraw-Hill, 1981. – Vol. 27. – 316 p. DOI: 10.1002/aic.690270224.
18. Экспериментальное исследование процессов синтеза водорода в условиях пластов месторождений природного газа / Е.Д. Мухина, П.А. Афанасьев, А.З. Мухаметдинова, А.Г., Аскарова Е.Ю. Попов, А.Н. Черемисин // Георесурсы. – 2024. – Т. 26. – № 1. – С. 145–153. DOI: 10.18599/grs.2024.1.13.
19. Bird R.B., Stewart W.E., Lightfoot E.N. Transport phenomena. – New York: Wiley, 2007. – P. 521–530. URL: https://www.academia.edu/34845816/Transport_phenomena_by_Byron_and_Bird_pdf (дата обращения 28.08.2025).
20. Linstrom P. NIST Chemistry WebBook. – USA; Maryland: National Institute of Standards and Technology, 2017. URL: https://webbook.nist.gov/chemistry (дата обращения 28.08.2025).
