Математическое моделирование процесса получения водорода из продуктов парового риформинга природного газа

В настоящее время проблемы декарбонизации экономики и перехода на возобновляемые источники энергии становятся все более актуальными. К числу декарбонизированных газов, применение которых считается наиболее перспективным, относится, прежде всего, водород, который рассматривается не только как энергоноситель, но и как средство хранения избыточной энергии, вырабатываемой возобновляемыми источниками. Наиболее проработанной сегодня технологией получения водорода считается паровой риформинг метана, на выходе которого получают газовый поток с высоким содержанием водорода. Для извлечения водорода из продукционного газа парового риформинга широко применяются адсорбционные газоразделительные системы. Большую роль при проектировании адсорбционных газоразделительных установок играет математическое моделирование. С помощью математической модели рассматриваемого процесса может быть проведена оптимизация и синтез систем управления. В работе предложена математическая модель технологического процесса извлечения водорода методом безнагревной газовой адсорбции с помощью 6-адсорберной газоразделительной установки. Для численного решения уравнений математической модели использовался метод прямых, позволяющий перейти от уравнений в частных производных к системе обыкновенных дифференциальных уравнений. Интегрирование полученной системы уравнений проводилось с помощью метода Рунге-Кутты четвертого порядка с автоматическим выбором шага. Представлены результаты численных имитационных расчетов динамических режимов работы установки. Сделан вывод о возможности использования предложенной математической модели адсорбционного процесса газового разделения для решения задач численных имитационных исследований, оптимизации и синтеза систем управления.

1. Lopes Filipe V.S., Grande Carlos A., Rodrigues Alírio E. Activated carbon for hydrogen purification by pressure swing adsorption: Multicomponent breakthrough curves and PSA performance. Chemical Engineering Science. 2011;66:303.

2. Silva Bruna, Solomon Ioan, Ribeiro Ana M., Lee U-Hwang, Hwang Young Kyu, Chang Jong-San, Loureiro José M., Rodrigues Alírio E. H2 purification by pressure swing adsorption using CuBTC. Separation and Purification Technology. 2013;118:744.

3. Jinsheng Xiao, Ruipu Li, Pierre Benard, Richard Chahine. Heat and mass transfer model of multicomponent adsorption system for hydrogen purification. International Journal of Hydrogen Energy. 2015;30:1.

4. Xuancan Zhu, Qiang Wang, Yixiang Shi, Ningsheng Cai. Layered double oxide/activated carbon-based composite adsorbent for elevated temperature H2/CO2 separation. International Journal of Hydrogen Energy. 2015;40:9244.

5. Yanna Liu, Song Xiao, Pu Bai, Haoquan Hu, Lijun Jin. Adsorption separation performance of H2/CH4 on ETS-4 by concentration pulse chromatography. Journal of Energy Chemistry. 2014;23:213.

6. Ryan P. Lively, Naoki Bessho, Dhaval A. Bhandari, Yoshiaki Kawajiri, William J. Koros. Thermally moderated hollow fiber sorbent modules in rapidly cycled pressure swing adsorption mode for hydrogen purification. International Journal of Hydrogen Energy. 2012;37:15227.

7. Chunfeng Song, Qingling Liu, Na Ji, Yasuki Kansha, Atsushi Tsutsumi. Optimization of steam methane reforming coupled with pressure swing adsorption hydrogen production process by heat integration. Applied Energу. 2015;154:392.

8. Edy Herianto Majlana, Wan Ramli Wan Daud, Sunny E. Iyuke, Abu Bakar Mohamad, A. Amir H. Kadhum, Abdul Wahab Mohammad, Mohd. Sobri Takriff, Nurhaswani Bahaman. Hydrogen purification using compact pressure swing adsorption system for fuel cell. International Journal of Hydrogen Energy. 2009;34:2771.

9. Milad Yavary, Habib Ale Ebrahim, Cavus Falamaki. The effect of number of pressure equalization steps on the performance of pressure swing adsorption process. Chemical Engineering and Processing. 2015;87:35.

10. Mohamed S.A. Baksh, Marian Simo. Six bed pressure swing adsorption process operating in normal and turndown modes. Патент US 8,551,217 B2, 2013.

11. Ruthven D.M. Principles of Adsorption and Adsorption Processes. John Wiley and Sons. New York, 1984.

12. Кельцев Н.В. Основы адсорбционной техники. М.: Химия; 1984.

13. Sol Ahn, Young-Woo You, Dong-Geun Lee, Ki-Hyun Kim, Min Oh, Chang-Ha Lee. Layered two- and four-bed PSA processes for H2 recovery from coal gas. Chemical Engineering Science. 2012;68:413–423.

14. Мартыненко О.Г., Михалевич А.А., Шикоз В.К. Справочник по теплообменникам. В 2-х томах. М.: Энергоатомиздат; 1987.

15. Suzuki M. Adsorption engineering. Kodansha, Tokyo; 1990.

16. Турчак Л.И., Плотников П.В. Основы численных методов. М.: Физматлит, 2003.