ИРН AP14870237 «Разработка инновационного способа очистки изотермических газовых смесей от двуокиси углерода в условиях неустойчивости механического равновесия».

Цель проекта состоит в численном моделировании смешения в смесях, содержащих СО₂ (и другие газы), в режиме конвективной неустойчивости и начальной стадии образования структурированных формирований, преимущественно состоящих из компонентов с наибольшим молекулярным весом; экспериментальном и численном исследовании многокомпонентного смешения при различных модельных условиях; установлении закономерностей эффектов разделения многокомпонентных систем.
Основными задачами проекта являются:

1. Модификация теоретической модели конвективной устойчивости для случая тройных изотермических газовых систем, содержащих компонент с реальными свойствами (двуокись углерода, фреон и другие парниковые газы). Моделирование концентрационных распределений компонентов системы в каналах различных форм.
2. Определение областей диффузионной неустойчивости. Раскрытие механизма влияния диффузионных способностей парниковых газов на интенсификацию конвективного смешения в режиме приоритетного переноса компонента с заданными свойствами.
3. Численное моделирование конвективных формирований и их последующей эволюции на начальном этапе смешения.
4. Экспериментальные исследования многокомпонентного изотермического смешения в смесях, содержащих двуокись углерода и другие парниковые газы в зависимости от исходного состава, давления в различных модельных каналах. Опытное изучение эффектов разделения компонентов с заданными свойствами в определенном интервале давлений и различных составах.
5. Анализ всех полученных результатов. Верификация экспериментальных и численных данных. Установление общих закономерностей по разделению компонентов в газовых смесях. Подготовка рекомендаций по определению условий, предполагающих максимальное проявление эффекта разделения и последующего отделения парникового газа от отработанной смеси.

Ожидаемые результаты:

1. Предложен модифицированный анализ на устойчивость механического равновесия изотермических тройных газовых смесей, при слабой нелинейности зависимости плотности парникового газа от давления, в рамках которого возможно получить нелинейные распределения концентраций компонентов в модельных каналах. Степень нелинейности в распределении концентрации зависит от соотношений между коэффициентами диффузии парниковых газов с другими компонентами образующими исследуемую смесь.
2. Анализ граничных соотношений смены режимов смешения и нулевого значения градиента плотности позволит определить спектр теплофизических и геометрических параметров, при которых в системах, содержащих парниковые газы, реализуются конвективные режимы смешения с приоритетным переносом компонента с заданными свойствами.
3. Численным образом предполагается получить расчеты по распределению концентраций компонентов и давлений при различных временах смешения в модельных каналах. По характеру вычисленных изоконцентрационных полей при различных давлениях и составах смеси можно определить тип различных этапов комбинированного смешения.
4. Проведены экспериментальные исследования в тройных смесях, содержащих парниковый газ (двуокись углерода, фреон-12 и др.) при различных давлениях, исходных составах и временах смешения в модельных каналах плоской и цилиндрической формы. Опытным путем изучить эффекты разделения, определяющие преимущественный перенос компонента с заданными свойствами в широком интервале давлений и исходного состава смеси.
5. Предполагается на основе общих закономерностей по разделению компонентов в смесях, содержащих парниковые газы подготовить рекомендации по определению условий и параметров смешения, где будет реализовываться максимальный перенос (отделение) экологически опасного газа от отработанной смеси.

В соответствии с требованиями конкурсной документации предполагаются следующие формы реализации результатов проекта:
Публикация статей в зарубежных рецензируемых научных журналах – будут опубликованы не менее 3 (трех) статей и (или) обзоров в рецензируемых научных изданиях, индексируемых в Science Citation Index Expanded базы Web of Science и (или) имеющих процентиль по CiteScore в базе Scopus не менее 50 (пятидесяти), а также не менее 1 (одной) статьи или обзора в рецензируемом зарубежном или отечественном издании, рекомендованном КОКСОН.
Методы исследования: Научные методы исследований по проекту базируются на фундаментальных законах физической кинетики, гидродинамики и многокомпонентного массопереноса. Для достижения поставленных целей используются экспериментальные (двухколбовый метод, метод диффузионного моста, теневой метод Теплера) и расчетно-теоретические методы исследования (метод анализа на устойчивость механического равновесия в приближении Буссинеска, метод малых возмущений и возмущений конечной амплитуды, методы теории подобия, модель решеточного уравнения Больцмана в аппроксимации Батнагара-Гросса-Крука (BGK), комплекс моделей и специальных программ прикладного программирования на основе автоматизированных систем проектирования «SolidWork», «Автокад»).
Объектом исследования являются газы и их смеси.
Научная новизна проекта заключается в: проведении экспериментов с газовыми смесями при начальном условии уменьшения плотности смеси с высотой при различных давлениях и исходных составах в каналах различной формы; теоретических и численных исследованиях комбинированного массопереноса для модельных ситуаций и выдаче рекомендаций (состав смесей, теплофизические свойства, парциальные расходы) при выполнении которых можно добиться максимальной очистки выбранной системы от заданного парникового газа. Впервые численным образом будут проведены исследования, раскрывающие процесс начального структурного формирования в смесях, содержащих парниковые газы при различных давлениях и составах. Одним из конечных результатов проекта являются рекомендации по составу смесей, включающих в себя информацию о парниковых газах, теплофизических свойств компонентов, геометрических характеристик каналов, областей температур, для осуществления максимального эффекта очистки.
Полученные результаты окажут влияние на развитие основного научного направления и будут связаны с оценкой влияния диффузионных механизмов на установление общих закономерностей по разделению компонентов в смесях, содержащих парниковые газы и последующей очистки отработанной смеси от экологически опасного газа. Полученные результаты имеют междисциплинарный характер и могут оказать развитие на смежные области науки. Такое влияние видится в: химической теории диссипативных структур; в физике, в механических способах очистки, заданных жидких и газообразных смесей.
Результаты исследований окажут существенное влияние на научные направления в области технологии разделения и очистки, физики газов и жидкостей, так как будут получены новые экспериментальные и численные результаты. Социальный эффект от проведенных исследований предполагается значимым и положительным, так как приводит к: улучшению условий труда (работа над проектом осуществляется коллективом единомышленников, работающих в творческой среде над высокоинтеллектуальной задачей); повышению образовательного уровня; удовлетворенности социальным статусом и увеличением доходов исполнителей проекта; повышение эффективности институционального регулирования бизнес-процессов, связанных с темой проекта. Экономический эффект может быть связан с возможной коммерциализацией полученных результатов. Полученные результаты будут иметь фундаментальную и прикладную значимость в связи с развитием подходов по разделению смесей, содержащих парниковые газы в технологиях очистки, а также необходимостью более глубокого понимания процессов тепломассопереноса.
Основные конструктивные и технико-экономические показатели: Разработана модель кинетического перехода «диффузия – конвекция», моделируется эволюция возникновения надкритических течений.
Степень внедрения: Высокая
Эффективность: Улучшение качества выпускаемой продукции. Предлагаемые методики имеют большие преимущества по сравнению с другими.
Область применения: Целевыми потребителями полученных результатов являются инжиниринговые компании, ученые занимающиеся вопросами разделения и очистки различных сред от экологически опасных компонентов, проектные лаборатории по экологическому контролю и мониторингу.
Основные полученные результаты на 2022 год:

1. Модификация теоретической модели конвективной устойчивости для случая тройных изотермических газовых систем, содержащих компонент с реальными свойствами (двуокись углерода, фреон и другие парниковые газы). Моделирование концентрационных распределений компонентов системы в каналах различных форм.

Проведена модификация теоретической модели конвективной устойчивости для случая тройных изотермических газовых систем, содержащих компонент с реальными свойствами (двуокись углерода, фреон и другие парниковые газы). Проведено моделирование концентрационных распределений компонентов системы в каналах различных форм. Теоретическая модель возникновения конвективной устойчивости в изотермических смесях для многокомпонентных систем применяется в приближении идеальной сплошной среды. Однако, наличие в смешивающихся газах парниковых компонентов может привести к искажению ожидаемых результатов, так как в исходных уравнениях не учитываются реальные свойства компонентов с наибольшим молекулярным весом (например, двуокись углерода, фреоны). В связи с этим для случая смешения тройных газовых смесей, содержащих парниковые газы, были осуществлены корректировки базовых уравнений гидродинамики с учетом реальных свойств компонентов. К ним относились следующие действия:

1. Модификация уравнения состояния смеси. Для смесей, содержащих парниковые газы показано, что более корректно использовать уравнение состояния в вириальной форме.
2. Коэффициенты взаимной диффузии компонентов рассчитывать в приближении модели умеренно-плотного газа.
3. Расчет массовой плотности тройной смеси в зависимости от давления осуществлять с учетом корреляционных коэффициентов, учитывающих парные взаимодействия молекул различных газов.

Совместное решене модифицированных уравнений диффузии, движения, состояния позволило разработать вычислительный алгоритм, позволяющий осуществить анализ на устойчивость механического равновесия, получить распределения концентраций компонентов в модельном канале для заданных теплофизических условий. В граничные соотношения включены дополнительные члены, учитывающие реальные свойства смесей с парниковыми газами. Для таких смесей различная диффузионная подвижность компонентов создает условия для реализации конвекции с преимущественным переносом парникового газа нарушая традиционный диффузионный перенос. Получены выражения для парциальных критических чисел Рэлея, определяющих переход «диффузия – конвекция».
При моделировании концентрационных распределений компонентов системы в каналах с плоской и цилиндрической формами, плучены сложные распределения скоростей компонентов не типичных для диффузионного смешения.
Основные полученные результаты на 2023 год:

2. Определение областей диффузионной неустойчивости. Раскрытие механизма влияния диффузионных способностей парниковых газов на интенсификацию конвективного смешения в режиме приоритетного переноса компонента с заданными свойствами.

Определены области диффузионной неустойчивости. На основе модифицированной теоретической модели конвективной устойчивости для случая тройных систем, содержащих компонент с реальными свойствами (двуокись углерода, фреон и другие парниковые газы) для каналов прямоугольной и цилиндрической форм получены соотношения в терминах диффузионных чисел Рэлея, позволяющие прогнозировать возникновение концентрационных конвективных течений. Для систем CH₄ (1) + R12 (2) – Ar (3), N₂ (1) + R12 (2) – n-C₄H₁₀ (3), He (1) + CO₂ (2) – N₂ (3), CH₄ (1) + R12 (2) – n-C₄H₁₀ (3), H₂ (1) + R12 (2) – Ar (3), 0,5143 He (1) + 0,4857 CO₂ (2) – 0,5148 CH₄ (3) + 0,4852 CO₂ (2) показано, что в распределении концентрации парникового газа наблюдается нелинейность, приводящая к инверсии градиента суммарной плотности смеси.
Раскрыты механизмы влияния диффузионных способностей парниковых газов на интенсификацию конвективного смешения в режиме приоритетного переноса компонента с заданными свойствами. Численным образом показано, что в тройной смеси с увеличением различия в коэффициентах диффузии компонентов в системе реализуются условия для нелинейного распределения концентраций с последующим возникновением инверсии плотности. Наиболее опасными с точки зрения нарушения механического равновесия системы являются те координаты диффузионного канала, где реализуется максимальное значение производной от плотности газовой смеси. При этом с увеличением давления и содержания компонента с промежуточным молекулярным весом разность плотностей в координатах экстремума возрастает и при определенной разности плотностей, вызванных конкретным давлением, осуществляется не только переход «диффузия – конвекция», но и происходит интенсификация конвективных течений, обогащенных компонентом с наибольшим молекулярным весом.
В терминах диффузионных чисел Рэлея получены соотношения, позволяющие прогнозировать возникновение концентрационных конвективных течений в вертикальных каналах для изотермических тройных газовых смесей. Взаимное расположение граничных линий конвективной неустойчивости и нулевого значения градиента плотности показывает существование между ними сектора, когда состояние смеси неустойчиво, хотя плотность в верхней части канала меньше, чем в нижней. Возникновение конвекции в этой области объясняется тем, что случайно сместившийся вверх элемент среды попадает в смесь с меньшей плотностью и другим составом. Различие в коэффициентах диффузии компонентов приводит к выравниванию концентрации легкого по плотности компонента. Его недостаточность компенсируется, и сместившийся элемент, становясь легче окружающей среды, продолжает всплывать, порождая неустойчивость.
Анализ на конвективную устойчивость в изотермических многокомпонентных смесях, содержащих парниковые газы, был реализован на основе совместного решения уравнений движения, диффузии и уравнения состояния, учитывающего реальные свойства парниковых газов. Полученные граничные соотношения сравнивались с результатами, вычисленными в приближении идеальной сплошной среды. На картограммах в координатах чисел Рэлея отмечается расхождение в ориентации граничных линий устойчивости, полученных в реальном и идеальном приближении соответственно. Исследования показали, что при повышении давления в реальных газовых смесях диффузионная способность для компонента с наибольшим молекулярным весом значительно уменьшается и поэтому в таких смесях расхождение в коэффициентах диффузии компонентов с наименьшим и наибольшим молекулярным весом компонентов становится больше, чем для аналогов, которые описываются в приближении идеальной среды. Тем самым смешение компонента с наибольшей плотностью в смесях с реальными парниковыми газами становится еще более интенсивной.

3. Численное моделирование конвективных формирований и их последующая эволюция на начальном этапе.

Для проведения численного эксперимента в тройных газовых смесях с произвольным значением градиента плотности был разработан математический алгоритм моделирования смешения газов, основанный на D2Q9 модели решеточных уравнений Больцмана. Численные исследования показали, что при определенных условиях возникают существенно нелинейные распределения концентраций компонентов, которые приводят к немонотонному распределению плотности газовой смеси. Проведена оценка времени возникновения и последующих этапов развития структурированных конвективных течений, преимущественно состоявших из парниковых газов, а также средней скорости переноса компонентов и пульсаций давления.
Для начальной фазы возникших конвективных течений в тройных смесях Не + СО2 – N2, CH₄  + R12  – n-C₄H₁₀, He + 0,4857 CO₂  – 0,5148 CH₄  + 0,4852 CO₂ определены характерные этапы смешения. Исследование эволюции перехода из диффузионного режима смешения в конвективное позволил выявить Анализ полученных изоконцентрационных линий реализуемых в расчетной области показывает, что в начальной стадии смешения от нулевого момента времени до значения t₁  в системе наблюдается диффузия. Изолинии монотонно распространяются в пространстве. Начиная с момента времени t₂ происходит искривление изоконцентрационных линий и рост концентрации компонента с наибольшим молекулярным весом в смеси по направлению к нижней части расчетной области. Происходит искривление изоконцентрационных линий (момент времени t₃) и в системе реализуются условия, связанные с возникновением неустойчивости механического равновесия, определяющие переход от диффузионного режима к конвективному. Дальнейшее наблюдение за эволюцией развития неустойчивости механического равновесия позволяет выявить еще несколько характерных времен. К моменту времени t₄ в системе сформировано конвективное формирование, преимущественно состоящее из компонента с наибольшим молекулярным весом. А характерное время определяет начало времени движения структуры в поле силы тяжести.
Научные публикации за 2023 год.

1. Fedorenko O.V., Kossov V.N., Krasikov S.A., Zhaneli M., Seydaz T. Numerical modelling of multi-component mass transfer regimes in four-component gas systems // Bulletin of the Karaganda university. Physics series. – 2023. – № 4 (112).

Материалы и тезисы международных конференций.

1. Косов В.Н, Федоренко О.В., Шаихислямова Ж.Ж. Разделение компонентов в системах с парниковыми газами, вызванное конвективной неустойчивостью // Сборник тезисов Международной научной конференции, посвященной памяти академика Национальной академии наук РК Э.Г. Бооса, 27 февраля 2023 г. – Алматы: ТОО «Физико-технический институт», Satbaev University, 2023. – С. 19 – 20.
2. Сейдаз Т.М., Федоренко О.В. Диффузионный массоперенос основных компонентов через слой газа-разбавителя двуокиси углерода // Сборник тезисов Международной научной конференции, посвященной памяти академика Национальной академии наук РК Э.Г. Бооса, 27 февраля 2023 г. – Алматы: ТОО «Физико-технический институт», Satbaev University, 2023. – С. 25.
3. Kossov V., Fedorenko O., Zhakebayev D., Asembaeva M. Occurrence of Convective Formations in Ternary Gas Systems Containing Greenhouse gases // Books of Abstracts of the 11^th Conference of the International Marangoni Association, 19 – 22 June 2023, Bordeaux (France). – P. 139 – 140.