Каталитический риформинг в процессе получения водородных углеводородов, таких как н-гептан, с использованием катализаторов и высоких температур

Каталитический риформинг углеводородного сырья для получения водорода (H2): теплофизическая оптимизация с использованием н-гептана в качестве модельного соединения. Глобальный переход к устойчивым энергетическим системам выводит водород (h2) на передний план научных и технологических инноваций. Являясь экологически чистым топливом с высокой плотностью энергии и нулевым уровнем выбросов углекислого газа в месте использования, водород (H2) является ключевым фактором в обезуглероживании процессов производства электроэнергии, транспорта и промышленности. Однако для реализации экономики, основанной на водороде (H2), требуются масштабируемые, эффективные и адаптируемые к региону методы производства, которые сводят к минимуму воздействие на окружающую среду и легко интегрируются в существующую инфраструктуру. В этом исследовании представлен всесторонний теоретический и экспериментальный анализ получения водорода (h2) путем каталитического риформинга углеводородного сырья с акцентом на н-гептан в качестве модельного соединения. Исследование направлено на решение важнейших задач, связанных с получением водорода, включая кинетику реакции, тепло- и массообмен, стабильность катализатора и точность измерений в высокотемпературных и сверхкритических условиях, которые способствуют эффективному выделению водорода. Выбор н-гептана основан на его хорошо изученных теплофизических свойствах и репрезентативности среди более тяжелых нефтяных фракций, что обеспечивает экспериментальную воспроизводимость и применимость к реальному сырью для производства H2. Каталитический риформинг н-гептана инициирует реакции дегидрирования, приводящие к выделению водорода (H2) в соответствии со схемой: C₇H₁₆ ^ C₇H₁₄ + H2

Целью данного исследования является подтверждение возможности получения водорода (Н2) путем термокаталитического риформинга н-гептана с использованием специально разработанной экспериментальной установки, имитирующей промышленные условия. Система обеспечивает точный контроль температуры давления, расхода и состава катализатора, что позволяет систематически изучать режимы реакции и их влияние на выход Н₂ и селективность. Особое внимание уделено сверхкритических условиях, которые увеличивают конвективный теплообмен, ускоряют реакции Кинетика и повышению энергетической эффективности, позиционирование каталитического риформинга в качестве перспективной альтернативой обычного водорода (H2) методы производства, такие как паровая конверсия метана (CH₄ + H2O ^ СО + ЗН2), электролиз воды (2H2O ^ 2H2 + комплексе O2), и газификации биомассы. Эксперименты проводились в вертикальных, горизонтальных и наклонных конфигурациях труб для изучения влияния геометрии на температурные градиенты, гидродинамику и характеристики катализатора при выделении H2. Интеграция высокоточных термопар, датчиков давления, расходомеров и электронных потенциометров позволила получать данные в режиме реального времени и проводить тщательный анализ ошибок, включая отклонения в температуре, давлении и расходе, которые влияют на точность расчетов выхода H2. Каталитический риформинг включает в себя сложные реакции - дегидрирование, крекинг, изомеризацию и ароматизацию, - все они способствуют выделению водорода (H2). Например: C7H16 + Heat + Catalyst ^ C₆H₆ + CH4 + H2 

Анализируя поведение н-гептана при контролируемых температурных режимах, авторы исследования определили оптимальные параметры, которые максимизируют выход H2 при минимизации побочных ,0, продуктов, таких как CO, CH4 и кокс. Использование термостабильных и активных катализаторов обеспечивает                                             ,_у,

ё ' стабильную работу в течение длительных рабочих циклов, что важно для промышленного производства - ё ' ''in'' H2. Адаптивность н-гептана в качестве исходного сырья особенно актуальна для регионов с ограниченным чл'' доступом к природному газу или возобновляемой электроэнергии, предлагая переходное решение, которое использует существующие нефтехимические ресурсы для производства H2. Экспериментальная установка и методология разработаны с учетом масштабируемости, что позволяет интегрировать их в мобильные водородные генераторы, децентрализованные энергетические системы и модернизированные установки нефтепереработки. По сравнению с паровым риформингом метана, при котором выделяется значительное количество CO2, каталитический риформинг в оптимизированных условиях может снизить выбросы парниковых газов и повысить энергоэффективность. В ходе исследования были определены плотность теплового потока, тепловые потери и эффективность преобразования для оценки воздействия процесса производства H2 на окружающую среду. Подробный анализ коэффициентов теплопередачи, температурных переходов и динамики потока дает практические рекомендации по проектированию реактора и оптимизации процесса, направленные на эффективное выделение водорода. Использование сверхкритических жидкостей в качестве охлаждающих жидкостей и реакционных сред повышает эффективность теплопередачи и позволяет создавать компактные реакторные системы с высокой производительностью для получения водорода. Для обеспечения достоверности выводов в исследовании используется строгая система анализа ошибок. Это включает отклонения в показаниях температуры, колебания давления, изменчивость расхода и помехи в системах сбора данных - все это влияет на точность оценки выхода H2. Результаты анализа позволяют получить рекомендации по повышению точности измерений и достоверности оценок производства водорода. Таким образом, данная работа укрепляет научные и инженерные основы производства водорода (H2) путем каталитического риформинга углеводородов. Результаты могут быть полезны академическим исследователям, заинтересованным сторонам в отрасли, политикам и специалистам по энергетическим стратегиям, которые ищут практические решения для перехода на водород. В конце статьи дается перспективный обзор роли каталитического риформинга в формирующейся водородной экономике. Представленная методология может быть адаптирована к различным источникам углеводородов, конструкциям реакторов и условиям эксплуатации, что делает ее универсальным инструментом в глобальных усилиях по декарбонизации энергетических систем и масштабированию производства водорода. Демонстрируя потенциал каталитического риформинга в высокотемпературных и сверхкритических условиях, это исследование вносит свой вклад в стратегическое развитие водородных технологий. Оно подчеркивает важность междисциплинарных исследований, сочетающих химическую инженерию, термодинамику, материаловедение и экологический анализ. Полученные результаты открывают путь для будущих инноваций в конструкции реакторов, разработке катализаторов и интеграции технологических процессов, что в конечном итоге способствует реализации устойчивого будущего, основанного на водороде (H2).

1. Isaev G. I., Experimental study of heat transfer during liquid flow (toluene and benzene) in a pipe at supercritical pressure, Ph. D. diss., Baku, 1975. – 110 p.

2. Isaev G. I. Study of heat transfer during forced flow of n-heptane and supercritical pressure. «Industrial Heat Engineering», 1981, Isaev G. I. – Vol. 3, No. 4, pp. 33-37.

3. Isaev G. I. Heat transfer of organic heat transfer fluids at supercritical pressures. Diss. Doc. of Engineering Sciences. Ashgabat, 1991.

4. Kaplan Sh. G. On one possible model of the transfer process in the near-critical region of the liquid state. IFZ, 1974, No. 3.

5. Mamedov Sh. G. and etc. Recovery of High potential heat in the steel industry for the production of hydrogen and carbon on hydrocarbon cracking plants of the petrochemical industry // Alternative Energy and Ecology (ISJAEE). – 2000-2023.

6. Mamedov Sh. G. and etc. Production of hydrogen and carbon in the petrochemical industry by cracking of hydrocarbons in the process of heat utilization in steel production // International Journal of Hydrogen Energy. – 2023. –Vol. 48, Issue 40. – Pр. 14954-14963.

7. Mamedov Sh. G. and etc. Study of the heat transfer of hydrogen and marginal hydrocarbons at supercritikal pressures // International Journal of Hydrogen Energy. – 2023.

8. Mamedov Sh. G. et al. Change in wall temperature of horizontal and inclined pipes depending on heat flux density during turbulent flow of n-heptane and supercritical pressures // Scientific journal «Problems of Science». – 2018. – No. 5 (28). – Рp. 23-27.

9. Mamedov Sh. G. et al. Heat transfer of n-heptane during turbulent flow and supercritical pressures // Oil and Gas. News of Universities. – 1985. –No. 6, pp. 53-57.

10. Mamedov Sh. G., Nasirov Sh. N., Rzayev M. A., Neimetov S. R., Verdiev N. M. Study of convective heat transfer at supercritical pressures // Alternative Energy and Ecology (ISJAEE). – 2024; (11):38-46. https://doi.org/10.15518/isjaee.2024.11.038-046

11. Mamedov Sh. G., Nasirov Sh. N., Abdullaeva G. K. Calculation of heat transfer in turbulent flow of hydrocarbons with supercritical state parameters // Alternative Energy and Ecology (ISJAEE). – 2024; (10):45-59. https://doi.org/10.15518/isjaee.2024.10.045-059

12. Surtaev A. S., Pavlenko A. N., Kalita V. I., Kuznetsov D. V., Komlev D. I., Radyuk A. A., Ivannikov A. Y. The Influence of Three-Dimensional Capillary Porous Coatings on Heat Transfer at Liquid Boiling // Tech. Phys. Lett. – 2016. – V. 42, № 4, p. 391.

13. Surtaev A. S., Serdyukov V. S., Safonov A. I. Enhancement of Boiling Heat Transfer on Hydrophobic Fluoropolymer Coatings // Interfacial Phenomena and Heat Transfer. – 2018. – V. 6, № 3, p. 269.

14. He H., Yamada M., Hidaka S., Kohno M., Takahashi K., Takata Y. Enhanced Boiling Surface with Hydrophobic Circle Spots Evaporator of Looped Thermosiphon // Proc. 13th Int. Conf. on Heat Transfer, Fluid Mechanics and Termodynamics. – 2017. – V. 365.

15. Betz A. R., Jenkins J., Kim C. J., Attinger D. Boiling Heat Transfer on Superhydrophilic, Superhydrophobic and Superbiphilic Surfaces // Int. J. Heat Mass Transfer. – 2013. – V. 57, № 2, p. 733.

16. Motezakker A. R., Sadaghiani A. K., Çelik S., Larsen T., Villanueva L. G., Koşar A. Optimum Ratio of Hydrophobic to Hydrophilic Areas of Biphilic Surfaces in Thermal Fluid Systems Involving Boiling // Int. J. Heat Mass Transfer. – 2019. – № 135, р. 164.

17. Optimization of heat exchange processes and systems / V. V. Kaffarov, V. P. Meshalkin, L. V. Guryeva. – M.: Energoatomizdat, 1988. – № 192.

18. Manglik R. M., Bergles A. E. Swirl Flow Heat Transfer and Pressure Drop with Twisted-Tape Inserts // Advances Heat Transfer. – 2002. – V. 36, pp. 183-266.

19. Kelbaliyev R. F. Heat transfer during liquid boiling in the pressure region close to the critical one // Thermal Power Engineering. – 2002. – No. 3, pp. 39-42.

20. Rzayev M. A. Heat transfer in steam-generating tubes at supercritical pressures of aromatic hydrocarbons. Diss. Cand. of Technical Sciences. – Baku. – 167 (1992).

21. Rzayev M. A., Kelbaliyev R. F., Bayramov N. M., et al. Methods for Determining Heat Transfer Deterioration in Turbulent Flow and Supercritical Liquid Pressures / Proceedings of the XIV School-Seminar of Young Scientists and Specialists under the Guidance of Academician of the Russian Academy of Sciences A. I. Leontiev. Russia: Rybinsk. – 2003. – Vol. 1, pp. 109-112.

22. Kelbaliyev R. F. Heat Transfer during Liquid Boiling in the Region of Pressures Close to Critical // Thermal Power Engineering. – 2002. – No. 3. – P. 39.

23. Kelbaliyev R. F., Iskenderov M. Z. Study of some features of heat transfer crisis during boiling of subcooled hydrocarbons in the pressure range close to critical // High Temperature Thermophysics. – 2005. – Vol. 43. – No. 3. – P. 45.

24. Kelbaliyev R. F. Temperature regime of steam-generating tubes at near-critical pressures of a substance.: Abstract of Cand. Sci. (Eng.) Diss. – Baku, 1998. – 24 p.

25. Kelbaliyev R. F. Deterioration of heat transfer at supercritical pressures of a substance // Journal of Engineering Physics and Thermophisics. – 2001. – Vol. 74. – No. 2. – Pp. 115-118.

26. Kelbaliyev R. F. Study of improved heat transfer mode at supercritical liquid pressures // Problemy Energetiky. – 2001. – No. 2. – Pp. 61-66.

27. Kelbaliyev R. F. Heat transfer during liquid boiling in the pressure range close to the critical one // Teploenergetika. – 2002. – No. 3. – Pp. 39.

28. Kurganov V. A. Heat transfer and resistance in pipes at supercritical coolant pressures // Teploenergetika. – 1998. – No. 3. – Pp. 2-10; – No. 4. – Pp. 35-44.

29. Shitsman M. E. Features of the temperature regime in pipes at supercritical pressures // Teploenergetika. – 1968. – No. 5. – Pp. 57-61.

30. Kovalev S. L., Leontiev A. I. Achievements of Russian scientists in the field of heat transfer research during boiling // TVT. – 1999. – Vol. 37. – No. 6. – P. 989.

31. Bobkov V. P., Vinogradov V. N., Grenfeld D. et al. Skeleton table of the 1995 version for calculating the critical heat flux in pipes // Thermal Power Engineering. – 1997. – No. 10. – P. 43.

32. Doroshchuk V. E. Heat transfer crises during water boiling in pipes. – Moscow: Energoatomizdat, 1983. – 120 p.

33. Tong L. Boiling Crisis and Critical Heat Flow. Moscow: Atomizdat, 1976. 99 p.

34. Kutateladze S. S. Fundamentals of Heat Transfer Theory. Moscow: Atomizdat, 1979. – 456 p.

35. Kirillov P. L. Calculation of Critical Heat Loads for Boiling Water in Pipes Not Heated to Saturation Temperature (Uniform Heat Load Distribution). In: Heat Transfer Crisis during Boiling in Channels. Obninsk: FEN, 1974. – P. 15.

36. Petukhov B. S., Genin L. G., Kovalev S. A. Heat Transfer in Nuclear Power Plants. – M. M.: Energoatomizdat, 1986. – P. 470.

37. Kutepov A. M., Sterman L. S., Styushin N. G. Hydrodynamics and Heat Transfer during Steam Formation. – M.: Vyssh. shkola, 1986. – 448 p.

38. Labuntsov D. A., Yagov V. V. Mechanics of Two-Phase Systems. – M.: MPEI Publishing House, 2000. – 374 p.

39. Dedov A. V., Varavva A. N., Komov A. T., Yagov V. V. Features of Heat Transfer in a Subcooled Swirling Flow // Proc. III Rus. National Conf. on Heat Transfer. – V. 4. – M.: MPEI Publishing House, 2002. – P. 76.

40. Glazkov V. V., Zhilin V. T., Zeigarnik Yu. A. Experimental study of the change in boiling regimes on a highly superheated hemisphere immersed in a subcooled liquid // Proc. III Rus. National Conf. on Heat Transfer. – M.: MPEI Publishing House, 2002. – V. 4. – P. 72.

41. Glazkov V. V., Zhilin V. T., Zeigarnik Yu. A., et al. Explosive mode of instability development leading to the destruction of the vapor film on a solid heated hemispherical surface // Reports of the Russian Academy of Sciences. – 2001. – V. 376. – № 3. – P. 328