مدل سازي و بهينه سازي پوياي راكتور ريفرمينگ متان با بخار

Dynamic Modeling and Optimization of Steam Methane Reforming

اين پژوهش با هدف مدل سازي پويا و بهينه سازي كوره ريفرمينگ متان با بخار آب در واحد توليد هيدروژن پالايشگاه نفت شازند انجام شد. نخست اين فرايند بر اساس معادله هاي بقاي جرم و انرژي و با در نظر افت فعاليت كاتاليست به صورت ناهمگن مدل سازي شد. با توجه به وجود گراديان غلظت درون كاتاليست و كنترل سرعت واكنش به وسيله مقاومت نفوذ دروني در كاتاليست، ضريب اثر بخشي كاتاليست محاسبه شده و در مدل فرايند وارد شد. سپس براي اثبات دقت مدل پيشنهادي، نتيجه هاي به دست آمده از مدل توسعه داده شده با داده هاي به دست آمده از واحد صنعتي مورد مقايسه قرار گرفت. نتيجه ها نشان داد با توجه به افت فعاليت كاتاليست در طي زمان عملكرد فرايند، از ميزان توليد هيدروژن كاسته شده و نرخ توليد هيدروژن از 27.4 به 24.4 مول بر ثانيه كاهش مي يابد. در مرحله بعد در راستاي جلوگيري از افت توليد در طي دوره عملياتي واحد، با در نظر گرفتن نرخ توليد يكنواخت هيدروژن به عنوان تابع هدف و براساس محدوديت هاي عملياتي سامانه يك مسئله بهينه سازي يك معياره پويا توسعه داده شد. در طي بهينه سازي چگونگي تغييرهاي دماي خوراك، دماي محفظه احتراق و نسبت بخار به هيدروكربن در بازه عملكرد فرايند محاسبه شد. نتيجه ها نشان داد عملكرد سامانه در شرايط بهينه موجب 4.5 % افزايش در ميزان توليد هيدروژن مي شود.

The main goal of this research is dynamic modeling and optimization of the steam methane reforming process in an industrial hydrogen plant in a crude oil refinery. In the first step, the process is heterogeneously modeled based on the mass and energy balance equations considering catalyst deactivation. Since the reforming reactions are under mass transfer control in the catalyst, the effectiveness factor is calculated and applied in the model. Then, to verify the accuracy of the model, the simulation results are compared with the plant data. The simulation results show that hydrogen production capacity decreases and approaches from 27.4 to 24.4 mole/s due to catalyst deactivation. In the next step, considering the uniform hydrogen production as an objective function and operational limitations in the process, a single objective optimization problem is formulated to overcome the production decay. Based on the formulated optimization problem, the optimal dynamic trajectories of feed temperature, furnace temperature, and steam to methane ratio are calculated during the process run time. Based on the simulation results, the hydrogen production is improved by about 6% applying optimal conditions to the system.