Математическое моделирование колебаний газа в реакторе пиролиза метана

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Разработана математическая модель колебаний газа, возникающих под действием внешней гармонической нагрузки, с учетом пространственно-временной нелокальности. Модель построена на основе уравнения равновесия (движения) и модифицированного закона Гука, в который включены релаксационные члены, учитывающие длину и время свободного пробега микрочастиц (электронов, атомов, молекул, ионов и др.).
Численное исследование модели показало, что при совпадении собственной частоты колебаний газа с частотой внешней нагрузки возникает резонанс, характеризующийся резким увеличением амплитуды колебаний, величина которой ограничивается коэффициентом трения газа. В случае, когда частота внешней нагрузки близка к собственной частоте колебаний газа, наблюдаются бифуркационно-флаттерные колебания (биения), сопровождающиеся периодическим увеличением и уменьшением амплитуды колебаний в каждой точке пространственной переменной. При этом колебания газа характеризуются бесконечным множеством амплитуд и частот.
Периодические изменения перемещений и давления газа, варьирующиеся от нуля до некоторого максимального значения и распространяющиеся вдоль реактора пиролиза метана, способствуют очистке его внутренних поверхностей от рыхлых углеродных отложений. Удаленный со стенок реактора углерод скапливается в нижней части между двумя газоплотными задвижками, что позволяет удалять его без остановки процесса пиролиза.
Данная модель может быть полезна для оптимизации процессов очистки реакторов и повышения эффективности пиролиза метана.

Об авторах

Игорь Васильевич Кудинов

Самарский государственный технический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: igor-kudinov@bk.ru
ORCID iD: 0000-0002-9422-0367
https://www.mathnet.ru/person44183

доктор технических наук, профессор; заведующий кафедрой; каф. физики

Россия, 443100, Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Константин Викторович Трубицын

Самарский государственный технический университет

Email: tef-samgtu@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-1888-2905
https://www.mathnet.ru/person202960

кандидат экономических наук, доцент; декан; теплоэнергетический факультет

Россия, 443100, Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Антон Владимирович Еремин

Самарский государственный технический университет

Email: a.v.eremin@list.ru
ORCID iD: 0000-0002-2614-6329
https://www.mathnet.ru/person64230

доктор технических наук, доцент; заведующий кафедрой; каф. промышленной теплоэнергетики

Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Виктор Дмитиевич Долгих

Самарский государственный технический университет

Email: torressva12@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-1505-3810
https://www.mathnet.ru/person225981

ассистент; каф. физики

Россия, 443100, Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Список литературы

  1. Баранов Н. Н. Нетрадиционные источники и методы преобразования энергии. М.: МЭИ, 2012. 384 с. EDN: UOOWV.
  2. Фортов В. Е., Попель О. С. Энергетика в современном мире. М.: Интеллект, 2011. 168 с. EDN: QMLDHF.
  3. Dagle R. A, Dagle V. L., Bearden M. D., et al. An overview of natural gas conversion technologies for co-production of hydrogen and value added solid carbon products: OSTI Technical Report. Washington: U.S. Department of Energy, 2017. DOI: https://doi.org/10.2172/1411934.
  4. Кудинов И. В., Пименов А. А., Михеева Г. В. Моделирование термического разложения метана и образования твердых углеродных частиц // Нефтехимия, 2020. Т. 60, №6. С. 781–785. EDN: NXMKAM. DOI: https://doi.org/10.31857/S002824212006012X.
  5. Kudinov I. V., Pimenov A. A., Kryukov Y. A., Mikheeva G. V. A theoretical and experimental study on hydrodynamics, heat exchange and diffusion during methane pyrolysis in a layer of molten tin // Int. J. Hydrogen Energy, 2021. vol. 46, no. 17. pp. 10183–10190. EDN: BPAKJI. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.12.138.
  6. Кудинов И. В., Великанова Ю. В., Ненашев М. В. [и др.] Пиролиз метана в расплавленных средах для получения водорода: обзор современных достижений // Нефтехимия, 2023. Т. 63, №5. С. 627–639. EDN: SBYGPE. DOI: https://doi.org/10.31857/S0028242123050015.
  7. Machhammer O., Bode A., Hormuth W. Financial and ecological evaluation of hydrogen production processes on large scale // Chem. Eng. Technol., 2016. vol. 39, no. 6. pp. 1185–1193. DOI: https://doi.org/10.1002/ceat.201600023.
  8. Leal Perez B., Medrano Jiménez J. A., Bhardwaj R., et al. Methane pyrolysis in a molten gallium bubble column reactor for sustainable hydrogen production: Proof of concept & techno-economic assessment // Int. J. Hydrogen Energy, 2021. vol. 46, no. 7. pp. 4917–4935. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.11.079.
  9. Zhao Q., Wang Y., Wang Y.N., et al. Steam reforming of CH4 at low temperature on Ni/ZrO2 catalyst: Effect of H2O/CH4 ratio on carbon Q5 deposition // Int. J. Hydrogen Energy, 2020. vol. 45, no. 28. pp. 14281–14292. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.03.112.
  10. Steinberg M. The Carnol process for CO2 mitigation from power plants and the transportation sector // Energy Conv. Manag., 1996. vol. 37, no. 6–8. pp. 843–848. DOI: https://doi.org/10.1016/0196-8904(95)00266-9.
  11. Steinberg M. Fossil fuel decarbonization technology for mitigating global warming // Int. J. Hydrogen Energy, 1999. vol. 24, no. 8. pp. 771–777. DOI: https://doi.org/10.1016/S0360-3199(98)00128-1.
  12. Бабаков И. М. Теория колебаний. М.: Дрофа, 2004. 592 с. EDN: QJNGJV.
  13. Кабисов К. С., Камалов Т. Ф., Лурье В. А. Колебания и волновые процессы. М.: Ком-Книга, 2010. 360 с. EDN: QJOEGP.
  14. Кудинов И. В. paper Разработка математических моделей и исследование неравновесных явлений с учетом пространственно-временной нелокальности // Вестн. Сам. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки, 2018. Т. 22, №1. С. 116–152. EDN: UTXSMC. DOI: https://doi.org/10.14498/vsgtu1566.
  15. Соболев С. Л. Локально-неравновесные модели процессов переноса // УФН, 1997. Т. 167, №10. С. 1095–1106. DOI: https://doi.org/10.3367/UFNr.0167.199710f.1095.
  16. Соболев С. Л. Процессы переноса и бегущие волны в локально-неравновесных системах // УФН, 1991. Т. 161, №3. С. 5–29. DOI: https://doi.org/10.3367/UFNr.0161.199103b.0005.
  17. Лойцянский Л. Г. Механика жидкости и газа. М.: Дрофа, 2003. 840 с.
  18. Филин А. П. Прикладная механика твердого деформируемого тела. Т. 1. М.: Наука, 1976. 353 с.
  19. Kudinov I. V., Eremin A. V., Kudinov V. A., et al. Mathematical model of damped elastic rod oscillations with dual-phase-lag // Int. J. Solids Struct., 2020. vol. 200–201. pp. 231–241. EDN: LVYXJK. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2020.05.018.
  20. Паршаков А. Н. Физика линейных и нелинейных волновых процессов в избранных задачах. Электромагнитные и акустические волны. М.: Интеллект, 2014. 144 с.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Колебания газа в точке $\xi = 0$: 1 — $\mathsf{Fo}_1 = 0.1$, $\mathsf{Fo}_2 = 0.001$, $\eta = 0.5$; 2 — $\mathsf{Fo}_1 = 0.5$, $\mathsf{Fo}_2 = 0.001$, $\eta = 0.5$ ($k= 1000$ — число членов ряда (23))

Скачать (216KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Колебания газа в точках $\xi = 0.2$ (линия 1) и $\xi = 0.8$ (линия 2); $\mathsf{Fo}_1 = 0.1$, $\mathsf{Fo}_2 = 0.001$, $\eta = 0.5$, $k=1000$

Скачать (140KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Колебания газа в точках $\xi =0$ (линия 1), $\xi =0.4$ (линия 2) и $\xi =0.8$ (линия 3) ($\mathsf{Fo}_1 = \mathsf{Fo}_2 = A_1 = A_2 = 0$, $\mathsf{Fo}_3 = 0.3$)

Скачать (243KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Резонансные колебания газа в точках $\xi =0$ (линия 1), $\xi =0.4$ (линия 2), $\xi =0.8$ (линия 3) и $\xi =1$ (линия 4) ($\mathsf{Fo}_1 = \mathsf{Fo}_2 = 10$, $\mathsf{Fo}_3 = 0.3$, $A_1 = 0.1$, $A_2 = 1.575$)

Скачать (317KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Бифуркационно-флаттерные колебания газа в точках $\xi =0$ (линия 1), $\xi =0.8$ (линия 2) и $\xi =1$ (линия 3) (\(\mathsf{Fo}_1 = \mathsf{Fo}_2 = 10\), \(\mathsf{Fo}_3 = 0.3\), \(A_1 = 0.1\), \(A_2 = 1.5\))

Скачать (317KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Схематическое представление реактора пиролиза метана: 1 – поршень; 2 – трубка для отбора водорода; 3 – цилиндрический корпус реактора; 4 – трубка для подачи метана; 5, 6 – газоплотные задвижки; 7 – камера для сбора углерода; 8 – электрические нагревательные спирали

Скачать (42KB)
Метаданные

© Авторский коллектив; Самарский государственный технический университет (составление, дизайн, макет), 2024

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».