Математическое моделирование работы промышленного реактора парового риформинга метана

Abstract

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+

Relevance. Developing and improving mathematical models of natural gas steam reforming is essential to enhance hydrogen and syngas production efficiency, optimize industrial equipment performance, and reduce energy consumption. Although the methane reforming is well studied, models that incorporate an extended hydrocarbon composition of natural gas (C2-C4), thermal effects, real reactor geometry, and validation using operational data still require further development. Aim. To develop and verify a mathematical model of the natural gas steam reforming that integrates key kinetic laws, reactor geometry, thermal effects, and actual process parameters. Methods. Chemical reaction engineering, numerical solutions of differential equations (Euler method and BDF), Arrhenius-based kinetic calculations, and optimization techniques including differential evolution and the Nelder-Mead algorithm to determine pre-exponential factors and activation energies. The model was implemented in Python. Validation comparing simulation results with literature data and industrial reactor performance. Results and conclusions. Two models were created: one based on literature data and a simplified plug flow reactor model incorporating methane steam reforming, CO shift, and CO2 reforming reactions. Numerical calculations produced concentration profiles along the reactor and optimized kinetic parameters. The optimized values yielded product compositions at the reactor outlet close to industrial data, with a hydrogen deviation of less than 1%. The main deviation occurred in residual methane concentration, likely due to the exclusion of C2+ pyrolysis reactions, which will be addressed in future work. Additionally, Thiele modulus analysis indicated that methane reforming reactions occur in a mixed kinetic-diffusion regime, while the CO shift reaction requires further refinement. The results confirm the validity of the proposed model and its suitability for engineering calculations, with future work focusing on expanding the kinetic scheme to include C₂+ pyrolysis reactions