Mathematical modeling of hydrogen extraction process from the natural gas steam reforming products
Authors: Альруйшид М.Х.Х. , Скворцов C.А. , Ишин А.А. , Дмитриевский Б.С. , Терехова А.А. 
Published: July 2024

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.

Nowadays, the problems of the economy decarbonization and the transition to renewable energy sources are becoming more relevant. Hydrogen, above all, is among the decarbonated gases, the use of which is considered the most promising. It is regarded not only as an energy carrier but also as a means of storing excess energy, produced by renewable sources. The steam methane reforming, at the outlet of which a hydrogen-enriched gas stream is obtained, is deemed to be the most well-developed scheme. Adsorptive gas separation systems are widely used to extract hydrogen from the steam reforming gas. Mathematical modeling plays an important role in the design of adsorption gas separation plants. Optimization and control systems synthesis can be carried out with the help of a mathematical model for the process under review. The article proposes a mathematical model for the hydrogen extraction technological process by the pressure swing adsorption method employing a 6-beds gas separation unit. For the numerical solution of the mathematical model equations, the method of lines was applied, which converts partial differential equations to a system of ordinary differential equations. The integration of resulting equations system was undertaken with the aid of the Runge-Kutta method with automatic step selection. The results of numerical simulation calculations of the system dynamic operating modes are given. It is concluded that the proposed mathematical model for the adsorption process of gas separation is allowed for solving the problems of numerical simulation studies, optimization and control systems synthesis.