Численный анализ динамики газового потока пиролиза пропана

Введение. Исследуется процесс пиролиза пропана в проточном реакторе в режиме подачи энергии через постоянный внешний нагрев. Для комплексного исследования процесса во всевозможных условиях и для обеспечения перехода от лабораторных установок к промышленным необходимо провести численный анализ результатов моделирования течения газа в реакторе с учётом химических процессов. В работе представлены результаты численного моделирования трехмерной динамики газового потока пиролиза пропана в реакторе в программном пакете ANSYS Fluent с использованием компактной кинетической модели.

Материалы и методы. Авторами предложена новая компактная кинетическая схема пиролиза пропана, которая была получена на основе методов локального и глобального анализа чувствительности модели. Представлена математическая модель, используемая в пакете ANSYS Fluent, которая представляет собой уравнения неразрывности, сохранения импульса, сохранения энергии, дополненные уравнениями неразрывности для каждой компоненты газа.

Результаты исследования. Впервые проведено численное моделирование трехмерной динамики газового потока пиролиза пропана в реакторе в программном пакете ANSYS Fluent с использованием компактной кинетической модели. Проведены расчеты динамики газового потока пиролиза пропана в лабораторном реакторе с учетом процессов диффузии, химических реакций и их тепловых эффектов. Результаты численных расчетов и экспериментальные исследования по конверсии пропана хорошо согласуются между собой.

Обсуждение и заключения. Результаты исследования и моделирования пиролиза пропана могут составить основу для описания процесса в объеме реактора под воздействием лазерного излучения.

1. Snytnikov, V.N. Autocatalytic dehydrogenation of propane / V.N. Snytnikov, T.I. Mishchenko, Vl. N. Snytnikov, I. G. Chernykh // Research on Chemical Intermediates. — 2014. — Vol. 40. — P. 345-356.

2. Faua, G. Methane pyrolysis: Literature survey and comparisons of available data for use in numerical simulations / G. Faua, N. Gascoina, P. Gillarda, J. Steelant // Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. — 2013. — Vol. 104. P. 1-9.

3. Bedarev, I. Numerical study of methane pyrolysis in shock waves / I. Bedarev, V. Parmon, A. Fedorov, N. Fedorova, V. Fomin // Combustion, Explosion, and Shock Waves. — 2004. — Vol.40. — P. 580-590.

4. Khan, U. Pyrolysis of propane under vacuum carburizing conditions: An experimental and modeling study / U. Khan, S. Bajohr, D. Buchholz, R. Reimert, H.D. Minh, K. Norinaga, V.M. Janardhanan, S. Tischer, O. Deutschmann // J. Anal. Appl. Pyrolysis. — 2008. — Vol. 81. — P. 148-156.

5. Nan, Z. CFD Simulation of Propane Cracking Tube Using Detailed Radical Kinetic Mechanism / Z. Nan, Q. Tong, C. Bingzhen // Chinese Journal of Chemical Engineering. — 2013. — Vol. 21, № 12. — P.1319-1331.

6. Ktalkherman, M.G. Investigation of high-temperature pyrolysis of propane in a fast-mixing reactor / I.G. Ktalkherman, I.G. Namyatov, V.A. Emel’kim, B.A. Pozdnyakov // High Temperature. — 2009. — Vol. 47. — P. 707-717.

7. Стадниченко, О. А. Математическое моделирование потоков многокомпонентного газа с энергоемкими химическими процессами на примере пиролиза этана / О. А. Стадниченко, В. Н. Снытников // Вычислительные методы и программирование. — 2014. — Т. 15. — C. 658–668.

8. Starik, A.M. Kinetics of the oxidation of the products from the thermal destruction of C3H8 and C4H10 in the mixture with air / A.M. Starik, N.S. Titova, L.S. Yanovskii //Kinet. Catal. — 1999. — Vol. 40, № 1. — P. 7−22.

9. Tomlin, A.S. Reduced mechanisms for propane pyrolysis / A.S. Tomlin, M.J. Pilling, J.H. Merkin, J. Brindley,

10. Burgess, A. Gough // Ind. Eng. Chem. Res. — 1995. — Vol. 34. — P. 3749−3760.

11. Жоров, Ю. М. Кинетика промышленных органических реакций: справочник / Ю. М. Жоров. — Москва : Химия, 1989. — 384 c.

12. Пиролиз углеводородного сырья / Т. Н. Мухина [и др.] — Москва : Химия, 1987. — 240 c.

13. Nurislamova, L. F. Kinetic Model of Isolated Reactions of the Catalytic Hydroalumination of Olefins / L. F. Nurislamova, I. M. Gubaydullin, K.F. Koledina // Reaction Kinetics, Mechanisms and Catalysis. — 2015. — Vol. 116, Is.1. — P. 79−93.

14. Nurislamova, L.F. Kinetic model of the catalytic hydroalumination of olefins with organoaluminum compounds / L.F. Nurislamova, I.M. Gubaydullin, K.F. Koledina, R.R. Safin // Reaction Kinetics, Mechanisms and Catalysis. — 2016, — Vol. 117, Is. 1. — P. 1−14.

15. Нурисламова, Л. Ф. Редукция детальных схем химических превращений окислительных реакций формальдегида и водорода на основании результатов анализа чувствительности математической модели / Л. Ф. Нурисламова, И. М. Губайдуллин // Вычислительные методы и программирование. — 2014. — Т. 15. — C. 685–696.

16. Nurislamova, L. F. Few-Step Kinetic Model of Gaseous Autocatalytic Ethane Pyrolysis and Its Evaluation by Means of Uncertainty and Sensitivity Analysis / L. F. Nurislamova, O. P. Stoyanovskaya, O. A. Stadnichenko, I. M. Gubaidullin, V. N. Snytnikov, A. V. Novichkova // Chemical Product and Process Modeling. — 2014. — 9(2) — P. 143−154.

17. Нурисламова, Л. Ф. Исследование и редуцирование математической модели химической реакции методом Соболя / Нурисламова Л. Ф., Губайдуллин И. М. // Компьютерные исследования и моделирование. — 2016. — Т. 8, № 4. — С. 633–646.

18. Нурисламова, Л. Ф. Методика получения редуцированной математической модели химической реакции / Л. Ф. Нурисламова, И. М. Губайдуллин // Системы управления и информационные технологии. — 2014. — Т.57, № 3.2. — С. 266–271.