Суррогатное моделирование и численная оценка производства водорода методом парового риформинга метана (SMR)

Вот полный, развернутый и профессиональный перевод статьи на русский язык с сохранением всех цифр, дат, имен, технических деталей и структуры.

---

Численная оценка производства водорода путем паровой конверсии природного газа

Авторы

Минцзе Чэнь (Mingjie Chen) Научно-исследовательский центр водных ресурсов, Университет Султана Кабуса, Маскат 123, Оман (Эл. почта: mingjie@squ.edu.om)

Халид Аль-Суби (Khalid Al-Subhi) Научно-исследовательский центр устойчивой энергетики, Университет Султана Кабуса, Маскат 123, Оман; Кафедра химической и биологической инженерии, Университет Шеффилда, Шеффилд S13JD, Великобритания

Амира Аль-Раджи (Amira Al-Rajhi) Научно-исследовательский центр водных ресурсов, Университет Султана Кабуса, Маскат 123, Оман

Али Аль-Мактуми (Ali Al-Maktoumi) Научно-исследовательский центр водных ресурсов, Университет Султана Кабуса, Маскат 123, Оман; Кафедра почвоведения, водных ресурсов и сельскохозяйственной инженерии, Университет Султана Кабуса, Маскат 123, Оман

Азизалла Иззади (Azizallah Izady)

Амер Аль-Хинаи (Amer Al-Hinai) Кафедра электротехники и вычислительной техники, Университет Султана Кабуса, Маскат 123, Оман

Аннотация

В промышленных масштабах водород в основном производится путем паровой конверсии метана (SMR), в процессе которой в качестве сырья и топлива используется природный газ, а сопутствующим продуктом является CO₂. Данное исследование направлено на численную оценку производства водорода методом SMR при различных условиях протекания реакции. В отличие от предыдущих работ с ограниченным числом сценариев, в данной работе производительность SMR непрерывно оценивается в многомерном пространстве входных параметров. Установка SMR, включающая камеру сгорания, риформер и реактор сдвига водяного газа (water-gas shifter), смоделирована в программном обеспечении Aspen HYSYS. Четыре ключевых параметра, а именно: доля метана в сырье, давление и температура в риформере, а также температура в реакторе сдвига, рассматривались как неопределенные. Из четырехмерного пространства параметров, ограниченного диапазонами их значений, было отобрано 50 образцов. Каждый образец подавался на вход модели HYSYS, а в качестве выходных переменных были получены массовые соотношения каждого компонента в технологических потоках. На основе 50 пар «вход-выход» были построены поверхности отклика выходных переменных для замены (суррогатного моделирования) HYSYS-моделей. Затем быстрые модели поверхностей отклика были использованы для расчета глобальных индексов чувствительности и оценки процессов SMR. Результаты показывают, что производительность риформера контролируется температурой, а не давлением, и что температура выше 900 °C позволяет максимизировать скорость реакции. Реакция сдвига водяного газа подавляется в риформере, но значительно усиливается в реакторе сдвига. Водород в основном производится в риформере, в то время как основная функция реактора сдвига заключается в преобразовании CO в нетоксичный CO₂.

Тип документа: Оригинальная статья

Цитирование: Chen, M., Al-Subhi, K., Al-Rajhi, A., Al-Maktoumi, A., Izady, A., Al-Hinai, A. Numerical evaluation of hydrogen production by steam reforming of natural gas. Advances in Geo-Energy Research, 2023, 7(3): 141-151. https://doi.org/10.46690/ager.2023.03.01

DOI: https://doi.org/10.46690/ager.2023.03.01

Ключевые слова: Производство водорода, камера сгорания, паровая конверсия метана, реактор сдвига, Aspen HYSYS, поверхность отклика

Список литературы

1. Ansari, D. The hydrogen ambitions of the Gulf States: Achieving economic diversification while maintaining power. Paper Presented at SWP Comment, German Institute for International and Security Affairs, July, 2022.
2. AspenTech. Aspen HYSYS V12.2, Bedford, MA 01730, USA, 2022.
3. Ball, M., Weeda, M. The hydrogen economy-vision or reality? International Journal of Hydrogen Energy, 2015, 40(25): 7903-7919.
4. Balta, M. T., Dincer, I., Hepbasli, A. Potential methods for geothermal-based hydrogen production. International Journal of Hydrogen Energy, 2010, 35(10): 4949-4961.
5. Bicer, Y., Dincer, I. Development of a new solar and geothermal based combined system for hydrogen production. Solar Energy, 2016, 127: 269-284.
6. Bühlmann, P. Bagging, subagging and bragging for improving some prediction algorithms, in Recent Advances and Trends in Nonparametric Statistics, edited by M. G. Akritas, D. N. Politis, and Greenwich, USA, pp. 9-34, 2003.
7. Cancela, A., Sanchez, A., Maceiras, R., et al. Simulation of natural gas steam reforming to obtain high-purity hydrogen. Chemistry and Technology of Fuels and Oils, 2015, 51: 529-535.
8. Chen, M., Abdalla, O. A., Izady, A., et al. Development and surrogate-based calibration of a CO2 reservoir model. Journal of Hydrology, 2020, 586: 124698.
9. Chen, M., Al-Maktoumi, A., Izady, A. Assessment of integrated CO2 geologic storage and geothermal harvest in a semi-closed thin reservoir. Sustainable Energy Technologies and Assessments, 2022, 49: 101773.
10. Chen, M., Sun, Y., Fu, P., et al. Surrogate-based optimization of hydraulic fracturing in pre-existing fracture networks. Computers & Geosciences, 2013, 58: 69-79.
11. Chiu, Y., Chiu, H., Hsieh, R.-H., et al. Simulations of hydrogen production by methanol steam reforming. Energy Procedia, 2019, 156: 38-42.
12. Friedman, J. H. Multivariate adaptive regression splines. Annals of Statistics, 1991, 19(1): 1-67.
13. Hermesmann, M., Müller, T. E. Green, turquoise, blue, or grey? Environmentally friendly hydrogen production in transforming energy systems. Progress in Energy and Combustion Science, 2022, 90: 100996.
14. Hjeij, D., Biçer, Y., Koç, M. Hydrogen strategy as an energy transition and economic transformation avenue for natural gas exporting countries: Qatar as a case study. International Journal of Hydrogen Energy, 2022, 47(8): 4977-5009.
15. Ihoeghian, N. A., Oyinkuro, K. C., Osagiede, C. A., et al. Steady-state simulation and optimization of hydrogen production by steam reforming of natural gas. Journal of Nigerian Association of Mathematical Physics, 2018, 44: 323-330.
16. Inayat, A., Raza, M., Khan, Z., et al. Flowsheet modeling and simulation of biomass steam gasification for hydrogen production. Chemical Engineering & Technology, 2020, 43(4): 649-660.
17. Mathworks. MatLab & Simulink: Simulink Reference R2022b, 2022.
18. McKay, M. D., Beckman, R. J., Conover, W. J. A comparison of three methods for selecting values of input variables in the analysis of output from a computer code. Technometrics, 1979, 21(2): 239-245.
19. Mokheimer, E. M. A., Hussain, M. I., Ahmed, S., et al. On the modeling of steam methane reforming. Journal of Energy Resources Technology, 2015, 137(1): 012001.
20. Mostafaeipour, A., Khayyami, M., Sedaghat, A., et al. Evaluating the wind energy potential for hydrogen production: A case study. International Journal of Hydrogen Energy, 2016, 41(15): 6200-6210.
21. Peng, X., Jin, Q. Molecular simulation of methane steam reforming reaction for hydrogen production. International Journal of Hydrogen Energy, 2022, 47(12): 7569-7585.
22. Picard, R. R., Cook, R. D. Cross-validation of regression models. Journal of the American Statistical Association, 1984, 79: 575-583.
23. Pourali, M., Esfahani, J. A., Sadeghi, M. A., et al. Simulation of methane steam reforming in a catalytic micro-reactor using a combined analytical approach and response surface methodology. International Journal of Hydrogen Energy, 2021, 46(44): 22763-22776.
24. Razavi, S., Tolson, B. A., Burn, D. H. Review of surrogate modeling in water resources. Water Resources Research, 2012, 48(7): W07401.
25. Saleem, M. S., Abas, N., Kalair, A. R., et al. Design and optimization of hybrid solar-hydrogen generation system using TRNSYS. International Journal of Hydrogen Energy, 2020, 45(32): 15814-15830.
26. Sandler, S. I. Chemical and Engineering Thermodynamics (Third Edition). Hoboken, US, John Wiley & Sons, 1999.
27. Scovell, M. D. Explaining hydrogen energy technology acceptance: A critical review. International Journal of Hydrogen Energy, 2022, 47(19): 10441-10459.
28. Seyitoglu, S. S., Dincer, I., Kilicarslan, A. Energy and exergy analyses of hydrogen production by coal gasification. International Journal of Hydrogen Energy, 2017, 42(4): 2592-2600.
29. Sobol’, I. M. Global sensitivity indices for nonlinear mathematical models and their Monte Carlo estimates. Mathematics and Computers in Simulation, 2001, 55(1-3): 271-280.
30. Ulleberg, Ø. Modeling of advanced alkaline electrolyzers: A system simulation approach. International Journal of Hydrogen Energy, 2003, 28(1): 21-33.
31. Veziroglu, T. N., Sahin, S. 21st century’s energy: Hydrogen energy system. Energy Conversion and Management, 2008, 49(7): 1820-1831.
32. Yue, M., Lambert, H., Pahon, E., et al. Hydrogen energy systems: A critical review of technologies, applications, trends and challenges. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2021, 146: 111180.
33. Zhang, T., Liu, J., Sun, S. Technology transition from traditional oil and gas reservoir simulation to the next generation energy development. Advances in Geo-Energy Research, 2023, 7(1): 69-70.
34. Zhang, T., Zhang, Y., Katterbauer, K., et al. Phase equilibrium in the hydrogen energy chain. Fuel, 2022, 328(15): 125324.

Загрузки Данные о загрузках пока недоступны.

PDF

Опубликовано 2022-12-26

Как цитировать Chen, M., Khalid Al-Subhi, Amira Al-Rajhi, Ali Al-Maktoumi, Azizallah Izady, & Amer Al-Hinai. (2022). Numerical evaluation of hydrogen production by steam reforming of natural gas. Advances in Geo-Energy Research, 7(3), 141–151. https://doi.org/10.46690/ager.2023.03.01

Форматы цитирования ACM, ACS, APA, ABNT, Chicago, Harvard, IEEE, MLA, Turabian, Vancouver

Скачать цитирование Endnote/Zotero/Mendeley (RIS), BibTeX

Выпуск Том 7, № 3 (2023): Март

Раздел СТАТЬЯ

Лицензия Copyright (c) 2024 Advances in Geo-Energy Research Эта работа лицензирована в соответствии с международной лицензией Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

Информация Для читателей Для авторов Для библиотекарей

Подать рукопись Вернуться к журналам

Источник

Источник

Теги

• #AspenHYSYS
• #SMR
• #Hydrogen
• #SurrogateModel

Источник: https://ager.yandypress.com/index.php/2207-9963/article/view/257

#AspenHYSYS #SMR #Hydrogen #SurrogateModel