Ученые МГУ им. Н. П. Огарёва реализуют проект по разработке 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.
Предметом исследования коллектива кафедры прикладной математики стали 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. 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 первый год реализации проекта исследователи обобщили 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 его помощью 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 срок службы катализатора, 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.
В состав команды, помимо руководителя проекта, входят также два исполнителя – доктор физико-математических наук Елизавета Пескова и лаборант-исследователь, студент 1 курса магистратуры факультета математики и информационных технологий Игорь Митрюхин.
