Компьютерное моделирование течения углеводородного флюида в химическом реакторе со слоем катализатора

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

В работе рассмотрен процесс изомеризации углеводородного флюида в химическом реакторе со слоем катализатора, предназначенном для синтеза перспективных продуктов и материалов. Выделены основные параметры течения, необходимые для корректного описания гидроизомеризации в химическом реакторе. Построена новая математическая модель, включающая регуляризованные на основе квазигидродинамического подхода уравнения Навье-Стокса, усредненные по репрезентативному элементарному объему, и систему уравнений конвекции-диффузии для расчета концентрации сырья и продуктов реакции. Для предложенной модели разработан вычислительный алгоритм и выполнена его компьютерная реализация. Оригинальность разработанной методологии моделирования состоит в объединении квазигидродинамического подхода с методами расчета течений углеводородов в пористых средах. В рамках данной методологии проведены пробные расчеты конкретной прикладной задачи, показавшие корректность разработанного численного подхода.

Full Text

Restricted Access

About the authors

С. В. Поляков

ФИЦ Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша Российской академии наук

Author for correspondence.
Email: polyakov@imamod.ru
Russian Federation, Москва

В. О. Подрыга

ФИЦ Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша Российской академии наук

Email: polyakov@imamod.ru
Russian Federation, Москва

Н. И. Тарасов

ФИЦ Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша Российской академии наук

Email: polyakov@imamod.ru
Russian Federation, Москва

К. Ф. Коледина

Лаборатория математической химии Института нефтехимии и катализа УФИЦ РАН

Email: polyakov@imamod.ru
Russian Federation, Уфа

References

  1. Бакун В.Г., Яковенко Р.Е., Салиев А.Н., Сулима С.И., Земляков Н.Д., Некроенко С.В. Получение синтетических низкозастывающих дизельных топлив: технологии и перспективы // Инженерный вестник Дона. 2017. №4. C 1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2017/4537
  2. Савостьянов А.П., Яковенко Р.Е., Нарочный Г.Б., Меркин А.А. Получение арктического дизельного топлива из попутного нефтяного газа // Журнал “Neftegaz.RU”. 2017. Т. 71. № 11. С. 1. https://magazine.neftegaz.ru/archive/503191/
  3. Зайнуллин Р.З., Коледина К.Ф., Ахметов А.Ф., Губайдуллин И.М. Кинетика каталитического риформинга бензина // Кинетика и катализ. 2017. Т. 58. № 3. С. 292.
  4. Зайнуллин Р.З., Коледина К.Ф., Ахметов А.Ф., Губайдуллин И.М. Возможные пути модернизации реакторного блока каталитического риформинга на основе кинетической модели // Эл. науч. журн. “Нефтегазовое дело”. 2018. № 6. С. 78.
  5. Фасхутдинов Р.Р., Зайнуллин Р.З., Ромеро А.Э., Ахметова К.Р. Эффективный метод оценки коммерческих катализаторов каталитического крекинга в лабораторных условиях // Булат. чтен. 2020. Т. 5. С. 290.
  6. Самотылова С.А., Торгашов А.Ю. Применение физически обоснованной математической модели массообменного технологического процесса для повышения точности оценивания качества конечного продукта // Теорет. основы хим. технологии. 2022. Т. 56. № 3. С. 379. [Samotylova S.A., Torgashov A.Y. Application of a first principles mathematical model of a mass-transfer technological process to improve the accuracy of the estimation of the end product quality // Theor. Found. Chem. Eng. 2022. V. 56. № 3. P. 371.]
  7. Rybak I., Schwarzmeier C., Eggenweiler E., Rude U. Validation and calibration of coupled porous-medium and free-flow problems using pore-scale resolved models // Comput. Geosci. 2021. V: 25. P. 621.
  8. Costa V.A.F., Oliveira L.A., Baliga B.R., Sousa A.C.M. Simulation of coupled flows in adjacent porous and open domains using a control-volume finite-element method // Numerical Heat Transfer, Part A: Applications. 2024. V: 45. № 7. P. 675.
  9. Das M.K., Mukherjee P.P., Muralidhar K. Modeling Transport Phenomena in Porous Media with Applications. New York: Springer, 2018.
  10. Duzel U., Martin A. Modeling high velocity flow through porous media // Proc. AIAA Scitech 2020 Forum. Orlando, 2020. P. 17.
  11. Поляков С.В., Трапезникова М.А., Чурбанов А.Г., Чурбанова Н.Г. Расчет несжимаемых течений в системе “пористое тело – свободный поток”. Препринт № 71. М.: Препринты ИПМ им. М.В. Келдыша, 2021.
  12. Elizarova T.G. Quasi-Gas Dynamic Equations. NY: Springer – Verlag, 2009.
  13. Шеретов Ю.В. Математические модели гидродинамики: учеб. пособие Тверь: Твер. гос. ун-т, 2004.
  14. Шеретов Ю.В. Кинетически согласованные уравнения газовой динамики: монография. Тверь: Твер. гос. ун-т, 2023.
  15. Kaviany M. Principles of Heat Transfer in Porous Media. New York: Mechanical Engineering Series, Springer, 1991.
  16. Ingham D.B., Pop I. Transport Phenomena in Porous Media. V. 2. Oxford: Pergamon Press, Elsevier Science, 2002.
  17. Nield D.A., Bejan A. Convection in Porous Media. 4th ed. New York: Springer, 2013.
  18. Whitaker S. Volume Averaging of Transport Equations // Fluid Transport in Porous Media, 1997. P. 1.
  19. Eymard R., Gallouet T., Herbin R. Finite volume methods // Handbook of Numerical Analysis. 2000. V. 7. P. 713.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Calculation area (units of measurement – ​​0.001 m).

Download (2KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Calculated area of ​​the test problem (units of measurement – ​​1 m).

Download (1KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Distributions of the velocity module along the central line (dashed lines – calculations in Ansys Fluent, solid lines – original model, blue – Re = 100, green – Re = 500, purple – Re = 1000).

Download (24KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Pressure distribution.

Download (9KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Distribution of the velocity module.

Download (10KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Distributions 1 – pressure and 2 – velocity modulus along line AB in Fig. 5.

Download (16KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Distribution of raw material concentration at time 1000. Reactor fragment.

Download (9KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Distribution of reaction product concentration at time 1000. Reactor fragment.

Download (10KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences