probenerИзвестия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИPower engineering: research, equipment, technology1998-99032658-5456Kazan State Power Engineering University10.30724/1998-9903-2024-26-4-124-135probener-3108Research ArticleЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И КОМПЛЕКСЫENERGY SYSTEMS AND COMPLEXESРазработка и верификация многокомпонентной модели паровой конверсии метанаDevelopment and verification of a multi-component model for steam methane reforminghttps://orcid.org/0000-0003-0755-3970ГиззатуллинА. Р.GizzatullinA. R.

Гиззатуллин Азамат Русланович – аспирант кафедры «Атомные и тепловые электрические станции»

г. Казань

Azamat R. Gizzatullin

Kazan

gizzatar@gmail.comФилимоноваА. А.FilimonovaA. A.

Филимонова Антонина Андреевна – канд. мед. наук, доцент кафедры «Химия и водородная энергетика»

г. Казань

Antonina A. Filimonova

Kazan

aachichirova@mail.ruЧичироваН. Д.ChichirovaN. D.

Чичирова Наталия Дмитриевна – докт. хим. наук, профессор, заведующий кафедрой «Тепловые электрические  станции»

г. Казань

Natalia D. Chichirova

Kazan

ndchichirova@mail.ruКазанский государственный энергетический университетРоссияKazan State Power Engineering UniversityRussian Federation202423092024264124135Copyright © Гиззатуллин А.Р., Филимонова А.А., Чичирова Н.Д., 20242024Гиззатуллин А.Р., Филимонова А.А., Чичирова Н.Д.Gizzatullin A.R., Filimonova A.A., Chichirova N.D.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.energyret.ru/jour/article/view/3108АКТУАЛЬНОСТЬ

АКТУАЛЬНОСТЬ. Паровая конверсия метана – доминирующий способ получения водорода. Значительная доля этого процесса в мировых выбросах CO2 задаёт важность оптимизации его технологических параметров для снижения экологического воздействия. Разработанная многокомпонентная модель паровой конверсии метана в COMSOL Multiphysics актуальна не только благодаря ее применимости к оптимизации существующих производственных установок, но и потенциалом для разработки новых методов утилизации попутного нефтяного газа. В контексте импортозамещения в сфере водородной энергетики данная модель также представляет собой интерес, позволяя рассчитывать технологические параметры промышленных установок.

ЦЕЛЬ

ЦЕЛЬ. Цель работы состоит в разработке и верификации многокомпонентной модели паровой конверсии метана.

МЕТОДЫ

МЕТОДЫ. Методология исследования включает в себя использование экспериментальных данных из литературы и промышленных показателей для интеграции в многокомпонентную модель в COMSOL Multiphysics. Это обеспечивает моделирование сложных химических взаимодействий в условиях, характерных для промышленного процесса паровой конверсии.

РЕЗУЛЬТАТЫ

РЕЗУЛЬТАТЫ. Разработанная многокомпонентная модель позволяет рассчитывать ключевые параметры процесса паровой конверсии метана, включая концентрацию компонентов (метана, водорода, монооксида и диоксида углерода) и  температуру  по  длине  реактора.  Модель  успешно  описывает  химические взаимодействия между компонентами и учитывает влияние операционных условий, таких как температура, давление и соотношение пар/газ, на эффективность процесса. Верификация модели осуществлялась путем сравнения результатов моделирования с экспериментальными данными и показателями реальных промышленных процессов. Их соответствие подтверждает высокую степень достоверности и пригодность модели для практического применения в инженерных расчетах и оптимизации процессов паровой конверсии метана.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Выводы, сделанные на основе моделирования, могут быть использованы для дальнейшего усовершенствования технологий конверсии метана что способствует повышению их эффективности и экологичности. Существует также потенциал применения модели для расчёта ступеней установок по утилизации продуктов переработки попутного нефтяного газа.

RELEVANCE

RELEVANCE. Steam methane reforming is the dominant method of hydrogen production. Its significant share in global CO2 emissions highlights the importance of optimizing technological parameters to reduce environmental impact. The developed multi-component model of steam methane reforming in COMSOL Multiphysics is relevant not only due to its applicability for optimizing existing production facilities but also for its potential in developing new methods for utilizing associated petroleum gas. In the context of import substitution in the hydrogen energy sector, this model is also of interest, allowing for the calculation of technological parameters of industrial installations.

THE PURPOSE

THE PURPOSE. The aim of the work is to develop and verify a multi-component model of steam methane reforming.

METHODS

METHODS. The research methodology includes the use of experimental data from the literature and industrial indicators for integration into a multi-component model in COMSOL Multiphysics. This enables the modelling of complex chemical interactions under conditions characteristic of the industrial steam methane reforming process.

RESULTS

RESULTS. The developed multi-component model allows calculating key parameters of the steam methane reforming process, including the concentration of components (methane, hydrogen, carbon monoxide, and carbon dioxide) and temperature along the reactor. The model successfully describes the chemical interactions between components and takes into account the influence of operating conditions, such as temperature, pressure, and steam/gas ratio, on process efficiency. The model verification was carried out by comparing the modelling results with experimental data and indicators of real industrial processes. Their correspondence confirms the high degree of reliability and suitability of the model for practical application in engineering calculations and optimization of steam methane reforming processes.

CONCLUSION

CONCLUSION. The conclusions made based on the modelling can be used for further improvement of methane conversion technologies, contributing to their efficiency and environmental friendliness. There is also potential for using the model to calculate the stages of installations for the utilization of products from the processing of associated petroleum gas.

паровая конверсия метанаCOMSOL Multiphysicsверификация моделимногокомпонентное моделированиехимическая кинетикаmethane steam reformingmulti-component modelingCOMSOL Multiphysicsmodel verificationchemical kineticsРезультаты получены при финансовой поддержке Минобрнауки «Изучение процессов в гибридной энергетической установке топливный элемент – газовая турбина» шифр проекта FZSW-2022-0001.The results were obtained with financial support from the Ministry of Science and Higher Education «Study of processes in a hybrid power plant fuel cell – gas turbine» project code FZSW-2022-0001.ReferencesLemus R.G., Duart J.M.M. Updated hydrogen production costs and parities for conventional and renewable technologies // International Journal of Hydrogen Energy. 2010. Vol. 35, № 9. P. 3929–3936.Lemus R.G., Duart J.M.M. Updated hydrogen production costs and parities for conventional and renewable technologies. International Journal of Hydrogen Energy, 2010, vol. 35, no. 9, pp. 3929–3936. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2010.02.034.Quéré C.L. et al. Global Carbon Budget 2015 // Earth System Science Data. 2015. Vol. 7, № 2. P. 349–396.Quéré C.L. et al. Global Carbon Budget 2015. Earth System Science Data, 2015, vol. 7, no. 2, pp. 349–396. DOI: 10.5194/essd-7-349-2015.Yan W., Hoekman S.K. Production of CO2-free hydrogen from methane dissociation: A review // Environmental Progress & Sustainable Energy. 2013. Vol. 33, № 1. P. 213–219.Yan W., Hoekman S.K. Production of CO2-free hydrogen from methane dissociation: A review. Environmental Progress & Sustainable Energy, 2013, vol. 33, no. 1, pp. 213–219. DOI: 10.1002/ep.11746.2023 levelized cost of energy+ [Electronic resource] // Lazard. 2023. URL: https://www.lazard.com/research-insights/2023-levelized-cost-of-energyplus/ (accessed: 04.02.2024).2023 levelized cost of energy+. URL: https://www.lazard.com/perspective/lcoe2023 (accessed: 04.02.2024).World Energy Outlook 2023 [Electronic resource] // IEA. 2023. URL: https://www.iea.org/reports/world-energy-outlook-2023 (accessed: 04.02.2024).World Energy Outlook 2023. URL: https://www.iea.org/reports/world-energy-outlook-2023 (accessed: 04.02.2024).Abánades A., Rubbia C., Salmieri D. Technological challenges for industrial development of hydrogen production based on methane cracking // Energy. 2012. Vol. 46, № 1. P. 359–363.Abánades A., Rubbia C., Salmieri D. Technological challenges for industrial development of hydrogen production based on methane cracking. Energy, 2012, vol. 46, no. 1, pp. 359–363. DOI: 10.1016/j.energy.2012.08.015.Msheik M., Rodat S., Abanades S. Methane cracking for hydrogen production: A review of Catalytic and molten Media Pyrolysis // Energies. 2021. Vol. 14, № 11. P. 3107.Msheik M., Rodat S., Abanades S. Methane cracking for hydrogen production: A review of Catalytic and molten Media Pyrolysis. Energies, 2021, vol. 14, no. 11, p. 3107. DOI: 10.3390/en14113107.Lee J.H., Jegarl S. Selecting optimal CO2-Free hydrogen production technology considering market and technology // Journal of the Korean Society for New and Renewable Energy. 2023. Vol. 19, № 2. P. 13–22.Lee J.H., Jegarl S. Selecting optimal CO2-Free hydrogen production technology considering market and technology. Journal of the Korean Society for New and Renewable Energy, 2023, vol. 19, no. 2, pp. 13–22. DOI: 10.7849/ksnre.2023.0008.А.А. Филимонова, А.А. Чичиров, Н.Д. Чичирова, А.В. Печенкин. Риформинг углеводородного топлива в электрохимических системах (обзор) // Теплоэнергетика. – 2023. – № 8. – С. 75-85. DOI: 10.56304/S0040363623080027.Filimonova A.A., Chichirov A.A., Chichirova N.D., Pechenkin A.V. Reforming of hydrocarbon fuel in electrochemical systems (review). Thermal Engineering, 2023, no. 8, pp. 75-85. DOI: 10.56304/S0040363623080027.Di Giuliano A., Gallucci K. Sorption enhanced steam methane reforming based on nickel and calcium looping: a review // Chemical Engineering and Processing - Process Intensification. 2018. Vol. 130. P. 240–252.Di Giuliano A., Gallucci K. Sorption enhanced steam methane reforming based on nickel and calcium looping: a review. Chemical Engineering and Processing - Process Intensification, 2018, vol. 130, pp. 240–252. DOI: 10.1016/j.cep.2018.06.021.А.Г.Х. Алфаяад, Д.З. Валиев, Р.А. Кемалов, А.Ф. Кемалов. Применение газотурбинной установки для утилизации попутного нефтяного газа с различным углеводородным составом // Технологии нефти и газа. – 2023. – № 5(148). – С. 39-46. – DOI: 10.32935/1815-2600-2023-148-5-39-46.Alfayaad A.G.H., Valiev D.Z., Kemalov R.A., Kemalov A.F. The use of a gas turbine unit for the utilization of associated petroleum gas with different hydrocarbon composition. Oil and Gas Technologies, 2023, no. 5(148), pp. 39-46. DOI: 10.32935/1815-2600-2023-148-5-39-46.«Нижнекамскнефтехим Л.Е.Ф.П. На природном газе: на ПГУ-ТЭС «Нижнекамскнефтехима» состоялся розжиг первой газотурбинной установки [Electronic resource] // Реальное Время. 2021. URL: https://realnoevremya.ru/articles/216576-na-pgu-tes-nknh-sostoyalsya-rozzhig-pervoy-gazoturbinnoy-ustanovki.On natural gas: The first ignition of a gas turbine unit took place at the CCGT-CHP of «Nizhnekamskneftekhim». URL: https://realnoevremya.ru/articles/216576-na-pgu-tes-nknh-sostoyalsya-rozzhig-pervoy-gazoturbinnoy-ustanovki (accessed: 04.02.2024).CChem M.V.T.Bs.P., Twigg M.V. Catalyst Handbook // Routledge eBooks. 2018.Twigg M.V., Bs P.CChem, M.V. Catalyst Handbook, 2018. DOI: 10.1201/9781315138862.Hou K., Hughes R. The kinetics of methane steam reforming over a Ni/α-Al2O catalyst // Chemical Engineering Journal. 2001. Vol. 82, № 1–3. P. 311–328.Hou K., Hughes R. The kinetics of methane steam reforming over a Ni/α-Al2O catalyst. Chemical Engineering Journal, 2001, vol. 82, no. 1–3, pp. 311–328. DOI: 10.1016/s1385-8947(00)00367-3.Rostrup-Nielsen J.R., Christiansen L. Concepts in Syngas manufacture // Catalytic science series. 2011.Rostrup-Nielsen J.R., Christiansen L. Concepts in Syngas manufacture, 2011. DOI: 10.1142/p717.C.K. Hou, Experimental study of intrinsic kinetics and diffusion during methane steam reforming, Ph.D. thesis, The University of Salford, UK, 1998.Hou C.K. Experimental study of intrinsic kinetics and diffusion during methane steam reforming, Ph.D. thesis, The University of Salford, UK, 1998.Pagliaro M. Catalysis: Concepts and Green Applications. Gadi Rothenberg Wiley-VCH: Weinheim, 2008, 273 pages + XII; ISBN: 978-3-527-31824-7 55,00 €/45,00 £/80,00 $ // Advanced Synthesis & Catalysis. 2008. Vol. 350, № 13. P. 2133–2134.Pagliaro M. Catalysis: Concepts and Green Applications. Advanced Synthesis & Catalysis, 2008, vol. 350, no. 13, pp. 2133–2134. DOI: 10.1002/adsc.200800426.Aasberg-Petersen K. et al. Natural gas to synthesis gas – Catalysts and catalytic processes // Journal of Natural Gas Science and Engineering. 2011. Vol. 3, № 2. P. 423–459.Aasberg-Petersen K., Dybkjær I., Ovesen C.V., Schjødt N.C., Sehested J., Thomsen S.G. Natural gas to synthesis gas – Catalysts and catalytic processes. Journal of Natural Gas Science and Engineering, 2011, vol. 3, no. 2, pp. 423–459. DOI: 10.1016/j.jngse.2011.03.004.Rostrup-Nielsen J.R., Sehested J., Noerskov J.K. Hydrogen and synthesis gas by steam- and CO2 reforming // ChemInform. 2003. Vol. 34, № 17.Rostrup-Nielsen J.R., Sehested J., Noerskov J.K. Hydrogen and synthesis gas by steam- and CO2 reforming. ChemInform, 2003, vol. 34, no. 17. DOI: 10.1002/chin.200317288.Kumar A., Bâldea M., Edgar T.F. A physics-based model for industrial steam-methane reformer optimization with non-uniform temperature field // Computers & Chemical Engineering. 2017. Vol. 105. P. 224–236.Kumar A., Bâldea M., Edgar T.F. A physics-based model for industrial steam-methane reformer optimization with non-uniform temperature field. Computers & Chemical Engineering, 2017, vol. 105, pp. 224–236. DOI: 10.1016/j.compchemeng.2017.01.002.Latham D.A. et al. Mathematical modeling of an industrial steam-methane reformer for on-line deployment // Fuel Processing Technology. 2011. Vol. 92, № 8. P. 1574–1586.Latham D.A., McAuley K.B., Peppley B.A., Raybold T.M. Mathematical modeling of an industrial steam-methane reformer for on-line deployment. Fuel Processing Technology, 2011, vol. 92, no. 8, pp. 1574–1586. DOI: 10.1016/j.fuproc.2011.04.001.В.А. Мунц, Ю.В. Волкова, Н.С. Плотников [и др.]. Исследование характеристик энергетической установки 5 кВт на твердооксидных топливных элементах с паровым риформингом природного газа // Теплоэнергетика. – 2015. – № 11. – С. 15.Muntz V.A., Volkova Y.V., Plotnikov N.S., et al. Study of the characteristics of a 5 kW power unit on solid oxide fuel cells with steam reforming of natural gas. Thermal Engineering, 2015, no. 11, pp. 15.Xu J., Froment G.F. Methane steam reforming, methanation and water-gas shift: I. Intrinsic kinetics // AIChE Journal. 1989. Vol. 35, № 1. P. 88–96.Xu J., Froment G.F. Methane steam reforming, methanation and water‐gas shift: I. Intrinsic kinetics. AIChE Journal, 1989, vol. 35, no. 1, pp. 88–96. DOI: 10.1002/aic.690350109.Aparicio L.M. Transient Isotopic Studies and Microkinetic Modeling of Methane Reforming over Nickel Catalysts // Journal of Catalysis. 1997. Vol. 165, № 2. P. 262–274.Aparicio L.M. Transient Isotopic Studies and Microkinetic Modeling of Methane Reforming over Nickel Catalysts. Journal of Catalysis, 1997, vol. 165, no. 2, pp. 262–274. DOI: 10.1006/jcat.1997.1468.Jin W., Iglesia E. Isotopic and kinetic assessment of the mechanism of reactions of CH4 with CO2 or H2O to form synthesis gas and carbon on nickel catalysts // Journal of Catalysis. 2004. Vol. 224, № 2. P. 370–383.Jin W., Iglesia E. Isotopic and kinetic assessment of the mechanism of reactions of CH4 with CO2 or H2O to form synthesis gas and carbon on nickel catalysts. Journal of Catalysis, 2004, vol. 224, no. 2, pp. 370–383. DOI: 10.1016/j.jcat.2004.02.032.Trimm D.L., Önsan Z.İ. ONBOARD FUEL CONVERSION FOR HYDROGEN-FUEL-CELL-DRIVEN VEHICLES // Catalysis Reviews. 2001. Vol. 43, № 1–2. P. 31–84.Trimm D.L., Önsan Z.İ. Onboard Fuel Conversion for Hydrogen-Fuel-Cell-Driven Vehicles. Catalysis Reviews, 2001, vol. 43, no. 1–2, pp. 31–84. DOI: 10.1081/cr-100104386.Gokon N. et al. Kinetics of methane reforming over Ru/γ-Al2O3-catalyzed metallic foam at 650–900°C for solar receiver-absorbers // International Journal of Hydrogen Energy. 2011. Vol. 36, № 1. P. 203– 215.Gokon N., Yamawaki Y., Nakazawa D., Kodama T. Kinetics of methane reforming over Ru/γ-Al2O3-catalyzed metallic foam at 650–900°C for solar receiver-absorbers. International Journal of Hydrogen Energy, 2011, vol. 36, no. 1, pp. 203–215. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2010.09.042.Jun H.J. et al. Kinetics modeling for the mixed reforming of methane over Ni-CeO2/MgAl2O4 catalyst // Journal of Natural Gas Chemistry. 2011. Vol. 20, № 1. P. 9–17.Jun H.J., Park M.-J., Baek S.-C., Bae J.W., Ha K., Jun K. Kinetics modeling for the mixed reforming of methane over Ni-CeO2/MgAl2O4 catalyst. Journal of Natural Gas Chemistry, 2011, vol. 20, no. 1, pp. 9–17. DOI: 10.1016/s1003-9953(10)60148-x.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.