Анализ чувствительности математической модели каталитического риформинга бензина

Для изучения одного из важнейших процессов нефтепереработки – каталитического риформинга, требуется детализированная кинетическая модель. При разработке кинетической модели возникает сложность в связи с большим количеством компонентов реакционной смеси и большим количеством стадий химических превращений. Альтернативой могут быть сокращенные механизмы реакций, которые применимы для решения задачи и обеспечивают реалистичное описание процесса. В данной работе для получения сокращенного механизма используется разработанная авторами методика анализа чувствительности математической модели. Схема превращений каталитического риформинга бензина, предложенная авторами, включает в себя 171 стадию. Индивидуальные компоненты объединены в 37 групп, относящихся к следующим классам: нормальные парафины, изо-парафины, пятичленные нафтены, шестичленные нафтены и ароматические углеводороды. Представлена математическая модель каталитического риформинга бензина, учитывающая изменение концентраций реагентов, изменение количества молей реакционной смеси и изменение температуры смеси от времени контакта с катализатором. В данной работе для получения редуцированной модели каталитического риформинга бензина использовался глобальный метод Соболя. Параметры модели, подлежащие исключению, определялись путем глобального анализа чувствительности функционала математической модели к вариации констант скоростей стадий. Разработана новая методика анализа сложных кинетических схем и редуцирования кинетических моделей до размеров, приемлемых с точки зрения точности описания и простоты практического использования. Выявлены наименее влиятельные стадии каталитического риформинга бензина. Исследовано влияние исключения данных стадий на кинетику процесса с химической точки зрения. Предложена редуцированная схема каталитического риформинга бензина. Редуцированная схема обеспечивает вполне удовлетворительное согласие как по профилям температуры, так и по профилям концентраций значимых веществ. Проведен анализ чувствительности математической модели каталитического риформинга бензина. Определены наименее влиятельные стадии реакции, не влияющие на общую динамику изменения концентраций значимых веществ реакции. Получена сокращенная модель реакции исключением данных стадий.

1. Zaynullin, R.Z. Vozmozhnyye puti modernizatsii reaktornogo bloka kataliticheskogo riforminga na osnove kineticheskoy modeli / R.Z. Zaynullin, K.F. Koledina, A.F. Akhmetov, I.M. Gubaydullin // Elektronnyy nauchnyy zhurnal Neftegazovoye delo. ‒ 2018. ‒ № 6. ‒ P. 78-97.

2. Stijepovic, M.Z. Development of a kinetic model for catalytic reforming of naphtha and parameter estimation using industrial plant data / M.Z. Stijepovic, A.V. Ostojic, I. Milenkovic, P. Linke // Energy Fuels. ‒ 2009. ‒ № 23. ‒ P. 83.

3. Stadnichenko, O.A. Radical mechanism for the gasphase thermal decomposition of propane / O.A. Stadnichenko, L.F. Nurislamova, N.V. Masyuk, Vl.N., Snytnikov V.N. Snytnikov // Reaction Kinetics, Mechanisms and Catalysis. ‒ 2018. ‒ V. 123. ‒ Is. 2. ‒ P. 607–624.

4. Qin, Z. Combustion chemistry of propane: A case study of detailed reaction mechanism optimization / Z. Qin, V.V. Lissianski, H. Yang, W.C. Gardiner, S.G. Davis, H. Wang // Proceedings of the Combustion Institute. ‒ 2000. ‒ V. 28. ‒ Is. 2. ‒ P. 1663–1669.

5. Lu, T. Toward accommodating realistic fuel chemistry in large-scale computations / T. Lu, C.K. Law // Progress in Energy and Combustion Science. ‒ 2009. ‒ V. 35. ‒ I. 2. ‒ P. 192-215.

6. Law, C. K. Development of comprehensive detailed and reduced reaction mechanisms for combustion modeling / C.K. Law, C.J. Sung, H. Wang, T.F.Lu. // AIAA Journal. ‒ 2003. ‒ V. 41. ‒ N. 9. ‒ P. 1629-1646.

7. Nurislamova, L.F. Mechanism reduction of chemical reaction based on sensitivity analysis: development and testing of some new procedure / L.F. Nurislamova, I.M. Gubaydullin // Journal of Mathematical Chemistry. ‒ 2017. ‒ V. 55. ‒ № 9. ‒ P. 1779–1792.

8. Safiullina, L.F. Computational aspects of simplification of mathematical models of chemical reaction systems / L. F. Safiullina, I. M. Gubaydullin, R. M. Uzyanbaev, A. E. Musina // Journal of Physics: Conference Series. ‒ 2019. ‒ V. 1368.

9. Rahimpour, M. R. Progress in Catalytic Naphtha Reforming Process: A Review / M. R. Rahimpour, M. Jafari, D. Iranshahi //Applied Energy. ‒ 2013. ‒ №109. ‒ P. 79-93.

10. Iranshahi, D. Modeling and simulation of a novel membrane reactor in a continuous catalytic regenerative naphtha reformer accompanied with a detailed description of kinetics / D. Iranshahi, H. Amiri, M. Karimi // EnergyFuels. ‒ 2013. ‒ No. 27. ‒ P. 4048-4070.

11. Zainullin, R. Z. Kinetics of the Catalytic Reforming of Gasoline / R. Z. Zainullin, K. F. Koledina, A. F. Akhmetov, I. M. Gubaidullin // Kinetics and Catalysis. ‒ 2017. ‒ Vol. ‒ 58. ‒ № 3. ‒ Р. 279–288.

12. Khimiya kataliticheskikh protsessov /B. Geyts, Dzh. Kettsir, G. Shuyt. ‒ M.: Mir, 1981. ‒ P. 551.

13. Ikonen, T. The importance of input interactions in the uncertainty and sensitivity analysis of nuclear fuel behavior / T. Ikonen, V. Tulkki // Nuclear Engineering and Design. ‒ 2014. ‒ V. 275. ‒ P. 229-241.

14. Tomlin, A.S. Mathematical tools for the construction, investigation and reduction of combustion mechanisms / A.S. Tomlin, T. Turanyi, M.J. Pilling // Comprehensive chemical kinetics. ‒ 1997. ‒ T. 35. ‒ P. 293-437.

15. Miles, S.O. Simplification of mathematical models of chemical reaction systems / S.O. Miles, M.L. Mavrovouniotis // Chemicals Reviews. ‒ 1998. ‒ T. 98. ‒ No.2. ‒ P. 391-408.

16. Saltelli, A. Sensitivity analysis for chemical models / A. Saltelli, M. Ratto, S. Tarantola, F. Campolongo // Chemical Reviews. ‒ 2005. ‒ T. 105. ‒ N 7. ‒ P. 2811–2828