Математическое моделирование воздействия ИК-лазерного излучения на встречный поток наночастиц с метаном

   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. 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.

1. Snytnikov 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/S2070048223050095

2. Peskova 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/S1064562424702107

3. Пинаева 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: 10.18412/1816-0387-2017-3-184-200

4. Guo 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.1253150

5. Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. Москва: Наука; 1967. 491 с.

6. Day M.S., Bell J.B. Numerical simulation of laminar reacting flows with complex chemistry. Combustion Theory and Modelling. 2000;4(4):535–556.

7. 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/S2070048222050039

8. Lashina E.A., Peskova E.E., Snytnikov V.N. Mathematical modeling of the homogeneous-heterogeneous non-oxidative CH₄ conversion: the role of gas-phase H or CH₃. Reaction Kinetics, Mechanisms and Catalysis. 2023;136:1775–1789. doi: 10.1007/s11144-023-02442-8

9. Hairer E., Wanner G. Solving Ordinary Differential Equations II. Stiff and Differential-Algebraic Problems. Springer-Verlag, Berlin; 1996.