vmaitComputational Mathematics and Information TechnologiesComputational Mathematics and Information Technologies2587-8999Донской государственный технический университет10.23947/2587-8999-2024-8-3-34-42vmait-168Research ArticleMathematical Modelling (Математическое моделирование)Математическое моделирование воздействия ИК-лазерного излучения на встречный поток наночастиц с метаномMathematical Modelling of the Impact of IR Laser Radiation on an Oncoming Flow of Nanoparticles with Methanehttps://orcid.org/0000-0003-2618-1674ПесковаЕ. Е.PeskovaE. E.

Елизавета Евгеньевна Пескова, кандидат физико-математических наук, доцент

кафедра прикладной математики, дифференциальных уравнений и теоретической механики

430005; ул. Большевистская, 68; Саранск

MathNet

Elizaveta E. Peskova, Associate professor

Department of Applied Mathematics, Differential Equations and TheoreticalMechanics

430005; 68/1, Bolshevistskaya St.; Saransk

MathNet

e.e.peskova@math.mrsu.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2655-1532СнытниковВ. Н.SnytnikovV. N.

Валерий Николаевич Снытников, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник

630090; пр. Лаврентьева; Новосибирск

MathNet

Valeriy N. Snytnikov, Leading Researcher

630090; 5, Lavrentiev Av.; Novosibirsk

MathNet

snyt@catalysis.ruМордовский государственный университет им. Н.П. ОгарёваРоссияNational Research Mordovia State UniversityRussian FederationИнститут катализа Сибирского отделения Российской академии наукРоссияBoreskov Institute of Catalysis SB RASRussian Federation202408102024833442Copyright © Пескова Е.Е., Снытников В.Н., 20242024Пескова Е.Е., Снытников В.Н.Peskova E.E., Snytnikov V.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.cmit-journal.ru/jour/article/view/168   Введение

   Введение. Работа посвящена численному исследованию воздействия лазерного излучения на встречный двухфазный поток наночастиц с многокомпонентным газом из углеводородов. При таком воздействии увеличивается содержание водорода в продуктах и происходит связывание метана в углеводороды более сложного строения на поверхности каталитических наночастиц и в газовой фазе. Горячие стенки трубы являются источником основного прогрева реакционной двухфазной среды с каталитическими наночастицами.

   Материалы и методы

   Материалы и методы. В качестве основного метода используется математическое моделирование, включающее численное решение системы уравнений вязкой газопылевой двухфазной среды с учетом химических реакций и лазерного излучения. Модель позволяет одновременно учитывать двухфазную газопылевую среду, многокомпонентность и многотемпературность среды, обыкновенные дифференциальные уравнения (ОДУ) для температуры каталитических наночастиц, ОДУ химической кинетики, эндотермические эффекты радикально-цепных реакций, диффузию легких метильных радикалов CH3 и атомов водорода H, которые инициируют конверсию метана, поглощение лазерного излучения этиленом и частицами.

   Результаты исследования. Получены распределения параметров, характеризующих ламинарные дозвуковые течения газопылевой среды в осесимметричной трубе с химическими реакциями. Показано, что поглощение лазерного излучения этиленом во встречном потоке приводит к резкому увеличению конверсии метана и преимущественному выходу ароматических соединений.

   Обсуждение и заключение. Численное моделирование динамики реакционных двухфазных сред представляет интерес для разработки теоретических основ переработки метана в ценные продукты. Полученные результаты естественным образом подтверждают вывод о необходимости совместного использования средств математического моделирования и лабораторных экспериментов для разработки новых ресурсосберегающих и экономически обоснованных технологий переработки природного газа.

   Introduction

   Introduction. The study is devoted to the numerical investigation of laser radiation’s effect on an oncoming two-phase flow of nanoparticles and multicomponent hydrocarbon gases. Under such exposure, the hydrogen content in the products increases, and methane is bound into more complex hydrocarbons on the surface of catalytic nanoparticles and in the gas phase. The hot walls of the tube serve as the primary source of heat for the reactive two-phase medium containing catalytic nanoparticles.

   Materials and Methods

   Materials and Methods. The main method used is mathematical modelling, which includes the numerical solution of a system of equations for a viscous gas-dust two-phase medium, taking into account chemical reactions and laser radiation. The model accounts for the two-phase gas-dust medium’s multicomponent and multi-temperature nature, ordinary differential equations (ODEs) for the temperature of catalytic nanoparticles, ODEs of chemical kinetics, endothermic effects of radical chain reactions, diffusion of light methyl radicals CH3 and hydrogen atoms H, which initiate methaneconversion, as well as absorption of laser radiation by ethylene and particles.

   Results

   Results. The distributions of parameters characterizing laminar subsonic flows of the gas-dust medium in an axisymmetric tube with chemical reactions have been obtained. It is shown that the absorption of laser radiation by ethylene in the oncoming flow leads to a sharp increase in methane conversion and a predominance of aromatic compounds in the product output.

   Discussion and Conclusion. Numerical modelling of the dynamics of reactive two-phase media is of interest for the development of theoretical foundations for the processing of methane into valuable products. The results obtained confirm the need for joint use of mathematical modelling and laboratory experiments in the development of new resource-saving and economically viable technologies for natural gas processing.

математическое моделированиедозвуковые потокидвухфазная средалазерное излучениехимические реакцииmathematical modellingsubsonic flowstwo-phase mediumlaser radiationchemical reactionsРабота выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ в рамках государственного задания Института катализа СО РАН (проект FWUR–2024–0033)The work was supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation as part of the state assignment for the Boreskov Institute of Catalysis SB RAS (project FWUR–2024–0033)ReferencesSnytnikov V.N., Peskova E.E., Stoyanovskaya O.P. Mathematical Model of a Two-Temperature Medium of Gas–Solid Nanoparticles with Laser Methane Pyrolysis. Mathematical Models and Computer Simulations. 2023;15:877–893. doi: 10.1134/S2070048223050095Snytnikov V.N., Peskova E.E., Stoyanovskaya O.P. Mathematical Model of a Two-Temperature Medium of Gas–Solid Nanoparticles with Laser Methane Pyrolysis. Mathematical Models and Computer Simulations. 2023;15:877–893. doi: 10.1134/S2070048223050095Peskova E.E. Mathematical Modeling of Nonstationary Problems Related to Laser Thermochemistry of Methane in the Presence of Catalytic Nanoparticles. Doklady Mathematics. 2024;109(3):256–261. doi: 10.1134/S1064562424702107Peskova E.E. Mathematical Modeling of Nonstationary Problems Related to Laser Thermochemistry of Methane in the Presence of Catalytic Nanoparticles. Doklady Mathematics. 2024;109(3):256–261. doi: 10.1134/S1064562424702107Пинаева Л.Г., Носков А.С., Пармон В.Н. Перспективы прямой каталитической переработки метана в востребованные химические продукты. Обзор. Катализ в промышленности. 2017;17(3):184–200. doi: 10.18412/1816-0387-2017-3-184-200Pinaeva L.G., Noskov A.S., Parmon V.N. Potentialities of the Direct Catalytic Processing of Methane into in-Demand Chemicals. Review. Kataliz v promyshlennosti. 2017;17(3):184–200. (In Russ.) doi: 10.18412/1816-0387-2017-3-184-200Guo X., Fang G., Li G. et al. Direct, Nonoxidative Conversion of Methane to Ethylene, Aromatics, and Hydrogen. Science. 2014;344(6184):616–619. doi: 10.1126/science.1253150Guo X., Fang G., Li G. et al. Direct, Nonoxidative Conversion of Methane to Ethylene, Aromatics, and Hydrogen. Science. 2014;344(6184):616–619. doi: 10.1126/science.1253150Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. Москва: Наука; 1967. 491 с.Frank-Kamenetskii D.A. Diffusion and Heat Transfer in Chemical Kinetics. Plenum Press, New York; 1969. (In Russ.)Day M.S., Bell J.B. Numerical simulation of laminar reacting flows with complex chemistry. Combustion Theory and Modelling. 2000;4(4):535–556.Day M.S., Bell J.B. Numerical simulation of laminar reacting flows with complex chemistry. Combustion Theory and Modelling. 2000;4(4):535–556.Borisov V.E., Yakush S.E., Sysoeva E.Y. Numerical Simulation of Cellular Flame Propagation in Narrow Gaps. Mathematical Models and Computer Simulations. 2022;14:755–770. doi: 10.1134/S2070048222050039Borisov V.E., Yakush S.E., Sysoeva E.Y. Numerical Simulation of Cellular Flame Propagation in Narrow Gaps. Mathematical Models and Computer Simulations. 2022;14:755–770. doi: 10.1134/S2070048222050039Lashina E.A., Peskova E.E., Snytnikov V.N. Mathematical modeling of the homogeneous-heterogeneous non-oxidative CH<sub>4</sub> conversion: the role of gas-phase H or CH<sub>3</sub>. Reaction Kinetics, Mechanisms and Catalysis. 2023;136:1775–1789. doi: 10.1007/s11144-023-02442-8Lashina E.A., Peskova E.E., Snytnikov V.N. Mathematical modeling of the homogeneous-heterogeneous non-oxidative CH<sub>4</sub> conversion: the role of gas-phase H or CH<sub>3</sub>. Reaction Kinetics, Mechanisms and Catalysis. 2023;136:1775–1789. doi: 10.1007/s11144-023-02442-8Hairer E., Wanner G. Solving Ordinary Differential Equations II. Stiff and Differential-Algebraic Problems. Springer-Verlag, Berlin; 1996.Hairer E., Wanner G. Solving Ordinary Differential Equations II. Stiff and Differential-Algebraic Problems. Springer-Verlag, Berlin; 1996.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.