Ученые МГУ им. Н. П. Огарёва реализуют проект, направленный на разработку вычислительных алгоритмов для моделирования процессов в каталитических реакторах. Такой подход особенно важен для нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятий, где ошибки в расчётах могут означать перерасход энергоресурсов, увеличение выбросов или потерю дорогостоящего сырья.

В центре исследования вычислительные алгоритмы для многомасштабных нестационарных задач — процессов, которые одновременно протекают на разных уровнях и изменяются во времени. Подобные задачи возникают в самых разных областях: от изучения движения крови в организме до разработки ядерных реакторов.

В своем проекте учёные сосредоточились на химических реакциях в реакторах с катализатором — веществом, ускоряющим протекание реакции. Особенность таких систем в том, что внутри слоя катализатора одновременно происходят тепловые, диффузионные и химические процессы. Для их корректного описания необходимо учитывать форму зёрен катализатора и сложный, многоступенчатый механизм реакций.

При создании новых математических моделей учёные опирались на идеи известных российских учёных М. Г. Слинько и Г. К. Борескова, а также развивали методику регуляризации, предложенной академиком Б. Н. Четверушкиным. В ходе первого года реализации проекта исследователи обобщили его методику регуляризации уравнений теплопроводности на двумерные уравнения диффузии-конвекции-реакции. Это позволило создать новый вычислительный алгоритм — более устойчивый и точный при расчёте сложных химико-технологических процессов.

На основе разработанного алгоритма был создан программный комплекс, реализующий данные уравнения, с помощью которого было проведено исследование процессов окислительной регенерации катализатора и получено подтверждение эффективности режимов регенерации с переменной температурой в химическом реакторе.

Для предприятий нефтепереработки подобные результаты имеют особое значение. Ошибки в расчётах здесь могут привести к перерасходу энергоресурсов, росту выбросов и потере дорогостоящего сырья. Новый метод позволяет заранее оценить поведение реактора и подобрать технологически оптимальные режимы, например, по температуре и скорости подачи реагентов.

В промышленном масштабе это позволит снизить энергозатраты, увеличить выход целевого продукта, продлить срока службы катализатора и сократить простой оборудования.

«Проведённые численные эксперименты подтвердили перспективность предложенного подхода для задач окислительной регенерации. Полученные результаты создают основу для дальнейшего развития методов расчёта сложных химико-технологических систем — в частности, реакторов переработки углеводородного сырья и установок глубокой переработки нефти», — отметила кандидат физико-математических наук, руководитель проекта Ольга Язовцева.

Исследование выполняет коллектив кафедры прикладной математики университета. В состав команды, помимо руководителя проекта, также входят два исполнителя — доктор физико-математических наук Елизавета Пескова и лаборант-исследователь, студент 1 курса магистратуры факультета математики и информационных технологий Игорь Митрюхин.

Исследование выполнено за счёт гранта Российского научного фонда № 25−21−242.

Источник