ЖТН AP14870237 «Механикалық тепе-теңдіктің тұрақсыздығы жағдайында изотермиялық газ қоспаларын көмірқышқыл газынан тазартудың инновациялық әдісін әзірлеу».

Жобаның мақсаты құрамында СО₂ (және басқа газдар) бар қоспалардағы қоспаларды конвективті тұрақсыздық режимінде және негізінен ең үлкен молекулалық салмағы бар компоненттерден тұратын құрылымдық түзілімдердің пайда болуының бастапқы сатысында сандық модельдеу; әртүрлі модельдік жағдайларда көпкомпонентті араласуды эксперименттік және сандық зерттеу; көпкомпонентті жүйелердің бөліну эффектісінің заңдылықтарын белгілеу.
Жобаның негізгі міндеттері:

1. Нақты қасиеттерге ие компоненті бар (көмірқышқыл газы, фреон және басқа парниктік газдар) үштік изотермиялық газ жүйелері жағдайында конвективті тұрақтылықтың теориялық моделін өзгерту. Әр түрлі формалы каналдардағы жүйе компоненттерінің концентрациялық таралуын модельдеу.
2. Диффузиялық тұрақсыздық аймақтарын анықтау. Парниктік газдардың диффузиялық қабілеттерінің берілген қасиеттері бар компонентті басымдықпен тасымалдау режимінде конвективті араласуды күшейтуге әсер ету механизмін ашу.
3. Конвективті түзілімдерді сандық модельдеу және олардың бастапқы араласу кезеңіндегі кейінгі эволюциясы.
4. Құрамында көмірқышқыл газы және басқа парниктік газдар бар қоспалардағы көпкомпонентті изотермиялық қоспаны эксперименттік зерттеу, бастапқы құрамына, әртүрлі модельдік каналдардағы қысымға байланысты. Белгілі бір қысым интервалында және әртүрлі құрылымдарда берілген қасиеттері бар компоненттерді бөлудің әсерін тәжірибелік зерттеу.
5. Алынған барлық нәтижелерді талдау. Эксперименттік және сандық деректерді тексеру. Газ қоспаларындағы компоненттерді бөлудің жалпы заңдылықтарын белгілеу. Парниктік газды пайдаланылған қоспадан бөлу және одан әрі бөлу эффектілерінің максималды көрінісін болжайтын жағдайларды анықтау бойынша ұсыныстар дайындау.

Күтілетін нәтижелер:

1. Парниктік газ тығыздығының қысымға әлсіз сызықтық емес тәуелділігі бар изотермиялық үштік газ қоспаларының механикалық тепе-теңдігінің тұрақтылығына өзгертілген талдау ұсынылды, оның аясында модельдік каналдардағы компоненттердің концентрациясының сызықтық емес таралуын алуға болады. Концентрацияның таралуындағы сызықтық емес дәреже, парниктік газдардың диффузиялық коэффициенттері мен зерттелетін қоспаны құрайтын басқа компоненттер арасындағы қатынастарға байланысты.
2. Араласу режимдерінің өзгеруінің шекаралық қатынастарын және тығыздық градиентінің нөлдік мәнін талдау парниктік газдары бар жүйелерде берілген қасиеттері бар компоненттің басым берілуімен конвективті араласу режимдері жүзеге асырылатын жылуфизикалық және геометриялық параметрлердің спектрін анықтауға мүмкіндік береді.
3. Сандық түрде модельдік каналдардағы әртүрлі араласу уақыттарында компоненттер мен қысым концентрацияларының таралуы бойынша есептеулер алу керек. Қоспаның әртүрлі қысымдары мен құрамдарындағы есептелген изоконцентрлік өрістердің сипатына сәйкес аралас араласудың әртүрлі кезеңдерінің түрін анықтауға болады.
4. Құрамында парниктік газ (көмірқышқыл газы, фреон-12 және т.б.) бар үштік қоспаларда әртүрлі қысымдарда, бастапқы құрамдарда және жазық және цилиндрлік пішінді модельдік каналдарда араласу уақыттарында эксперименттік зерттеулер жүргізілді. Кең қысым интервалында және қоспаның бастапқы құрамындағы берілген қасиеттері бар компоненттің артықшылықты тасымалдануын анықтайтын бөлу эффектілерін тәжірибелік түрде зерттеу.
5. Құрамында парниктік газдар бар қоспалардағы компоненттерді бөлудің жалпы заңдылықтары негізінде экологиялық қауіпті газды пайдаланылған қоспадан максималды тасымалдау (бөлу) жүзеге асырылатын араласу шарттары мен параметрлерін анықтау бойынша ұсыныстар дайындау көзделеді.

Конкурстық құжаттаманың талаптарына сәйкес жоба нәтижелерін іске асырудың мынадай нысандары көзделеді:
Шетелдік рецензияланатын ғылыми журналдарда мақалалар жариялау – Web of Science базасының Science Citation Index Expanded индекстелетін және (немесе) Scopus базасында кемінде 50 (елу) Citescore бойынша процентилі бар рецензияланатын ғылыми басылымдарда кемінде 3 (үш) мақала және (немесе) шолулар, сондай-ақ БҒСБК ұсынылған шетелдік немесе отандық рецензияланған басылымда кемінде 1 (бір) мақала немесе шолу.
Зерттеу әдістері: Жоба бойынша ғылыми зерттеу әдістері физикалық кинетика, гидродинамика және көпкомпонентті массаалмасудың негізгі заңдарына негізделген. Алға қойылған мақсаттарға жету үшін эксперименттік (екіколбалық әдіс, диффузиялық көпір әдісі, Теплердің көлеңкелі әдісі) және есептелген-теориялық зерттеу әдістері (Буссинеск жуықтауындағы механикалық тепе-теңдіктің тұрақтылығын талдау әдісі, шамалы және ақырлы амплитудалық ауытқулар әдісі, ұқсастық теориясының әдістері, Батнагар-Гросс-Крук (BGK) жуықтауындағы Больцман тор теңдеуінің моделі, «Solidwork», «Автокад» автоматтандырылған жобалау жүйелері негізінде қолданбалы бағдарламалаудың үлгілері мен арнайы бағдарламаларының кешені).
Зерттеу нысаны – газдар мен олардың қоспалары.
Жобаның ғылыми жаңалығы мынада: әртүрлі формадағы каналдарда түрлі қысымдар мен бастапқы құрамдар кезінде қоспаның жоғарғы тығыздығын төмендетудің бастапқы шартымен газ қоспаларымен эксперименттер жүргізу; модельдік жағдайларға арналған аралас массаалмасудың теориялық және сандық зерттеулері және ұсынымдар беру (қоспалардың құрамы, жылуфизикалық қасиеттері, парциал шығындар), оларды орындау берілген парниктік газдан алынған жүйелер кезінде таңдалған каналды максималды тазартуға қол жеткізуге болады. Алғаш рет сандық түрде әртүрлі қысымдар мен құрамдардағы парниктік газдары бар қоспаларда бастапқы құрылымдық қалыптасу процесін ашатын зерттеулер жүргізілетін болады. Жобаның түпкілікті нәтижелерінің бірі парниктік газдар, компоненттердің жылуфизикалық қасиеттері, каналдардың геометриялық сипаттамалары, температура аймақтары туралы ақпаратты қамтитын қоспалардың құрамы бойынша ұсынымдар болып табылады.

Алынған нәтижелер негізгі ғылыми бағыттың дамуына әсер етеді және құрамында парниктік газдар бар қоспалардағы компоненттерді бөлудің жалпы заңдылықтарын белгілеуге диффузиялық механизмдердің әсерін бағалаумен және пайдаланылған қоспаны экологиялық қауіпті газдан кейінгі тазартумен байланысты болады. Алынған нәтижелер пәнаралық сипатқа ие және ғылымның іргелес салаларында дами алады. Мұндай эффектілер: диссипативті құрылымдардың химиялық теориясында; физикада, тазартудың механикалық әдістерінде, берілген сұйық және газ тәрізді қоспаларда көрінеді.

Зерттеу нәтижелері бөлу және тазарту технологиясы, газдар мен сұйықтар физикасы саласындағы ғылыми бағыттарға айтарлықтай әсер етеді, өйткені жаңа эксперименттік және сандық нәтижелер алынады. Жүргізілген зерттеулердің әлеуметтік әсері маңызды және оң деп болжанады, өйткені ол: еңбек жағдайларын жақсартуға (жобамен жұмысты шығармашылық ортада жоғары интеллектуалды міндет бойынша жұмыс істейтін пікірлестер ұжымы жүзеге асырады); білім деңгейін арттыруға; әлеуметтік мәртебеге қанағаттануға және жобаны орындаушылардың кірістерін арттыруға әкеледі; жоба тақырыбына байланысты бизнес-процестерді институционалдық реттеудің тиімділігін арттыру. Экономикалық әсер алынған нәтижелерді коммерцияландыруға байланысты болуы мүмкін. Алынған нәтижелер тазарту технологияларында парниктік газдары бар қоспаларды бөлу тәсілдерінің дамуына, сондай-ақ жылумассатасымалдау процестерін тереңірек түсіну қажеттілігіне байланысты іргелі және қолданбалы маңызға ие болады.

Негізгі конструктивті және техникалық-экономикалық көрсеткіштер: «Диффузия – конвекция» кинетикалық ауысу моделі жасалды, критикалық ағындардың пайда болу эволюциясы модельденеді.

Іске асыру дәрежесі: Жоғары

Тиімділігі: Шығарылатын өнімнің сапасын жақсарту. Ұсынылған әдістемелер басқалармен салыстырғанда үлкен артықшылықтарға ие.

Қолдану саласы: Алынған нәтижелердің мақсатты тұтынушылары инжинирингтік компаниялар, экологиялық қауіпті компоненттерден әртүрлі орталарды бөлу және тазарту мәселелерімен айналысатын ғалымдар, экологиялық бақылау және мониторинг жөніндегі жобалау зертханалары болып табылады.

2022 жылға арналған негізгі нәтижелер:

1. Нақты қасиеттерге ие компоненті бар (көмірқышқыл газы, фреон және басқа парниктік газдар) үштік изотермиялық газ жүйелері жағдайында конвективті тұрақтылықтың теориялық моделін өзгерту. Әртүрлі формадағы каналдардағы жүйе компоненттерінің концентрациялық таралуын модельдеу.

Нақты қасиеттерге ие компоненті бар (көмірқышқыл газы, фреон және басқа парниктік газдар) үштік изотермиялық газ жүйелері жағдайында конвективті тұрақтылықтың теориялық моделіне өзгертулер жасалды. Әртүрлі формадағы каналдарда жүйе компоненттерінің концентрациялық таралуын модельдеу жүргізілді. Көпкомпонентті жүйелер үшін изотермиялық қоспаларда конвективті тұрақтылықтың пайда болуының теориялық моделі идеалды қатты ортаға жақындағанда қолданылады. Алайда, аралас газдарда парниктік компоненттердің болуы күтілетін нәтижелердің бұрмалануына әкелуі мүмкін, өйткені бастапқы теңдеулерде ең үлкен молекулалық салмағы бар компоненттердің нақты қасиеттері ескерілмейді (мысалы, көмірқышқыл газы, фреондар). Осыған байланысты парниктік газдары бар үштік газ қоспаларының араласу жағдайында компоненттердің нақты қасиеттерін ескере отырып, гидродинамиканың негізгі теңдеулеріне түзетулер енгізілді. Оларға келесі әрекеттер кірді:

1. Қоспаның күй теңдеуін өзгерту. Құрамында парниктік газдар бар қоспалар үшін күй теңдеуін вириалдық түрде қолдану дұрыс екендігі көрсетілген.
2. Компоненттердің өзара диффузия коэффициенттері орташа тығыз газ моделінің жуықтауында есептеледі.
3. Қысымға байланысты үштік қоспаның массалық тығыздығын есептеу әртүрлі газдар молекулаларының жұптасқан өзара әрекеттесуін ескеретін корреляциялық коэффициенттерді ескере отырып жүзеге асырылады.

Өзгертілген диффузия, қозғалыс, күй теңдеулерін бірлесіп шешу механикалық тепе-теңдіктің тұрақтылығын талдауға, берілген жылуфизикалық күйлер үшін модельдік каналдағы компоненттер концентрациясының таралуын алуға мүмкіндік беретін есептеу алгоритмін жасауға мүмкіндік берді. Шекаралық қатынастарға парниктік газдармен қоспалардың нақты қасиеттерін ескеретін қосымша мүшелер кіреді. Мұндай қоспалар үшін компоненттердің әртүрлі диффузиялық қозғалғыштығы дәстүрлі диффузиялық тасымалдауды бұза отырып парниктік газды басым тасымалдаумен конвекцияны жүзеге асыруға жағдай жасайды. «Диффузия – конвекция» ауысуын анықтайтын Рэлейдің критикалық парциал сандары үшін өрнектер алынды.
Жүйе компоненттерінің концентрациялық таралуын жазық және цилиндрлік пішінді каналдарда модельдеу кезінде диффузиялық араласуға тән емес компоненттер жылдамдығының күрделі үлестірімдері алынады.
2023 жылға арналған негізгі нәтижелер:

2. Диффузиялық тұрақсыздық аймақтарын анықтау. Парниктік газдардың диффузиялық қабілеттерінің берілген қасиеттері бар компонентті басымдықпен тасымалдау режимінде конвективті араласуды күшейтуге әсер ету механизмін ашу.

Диффузиялық тұрақсыздық аймақтары анықталды. Тікбұрышты және цилиндрлік пішінді каналдар үшін нақты қасиеттерге ие компоненті бар (көмірқышқыл газы, фреон және басқа парниктік газдар) үштік жүйелер үшін конвективті тұрақтылықтың өзгертілген теориялық моделіне сүйене отырып, концентрациялық конвективті ағындардың пайда болуын болжауға мүмкіндік беретін Рэлейдің диффузиялық сандары тұрғысынан қатынастар алынды. 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 жүйелері үшін (2) парниктік газ концентрациясының таралуында сызықтық емес қоспаның тығыздығы болып, жалпы газдың градиенттік инверсиясына әкелетіні көрсетілген.
Парниктік газдардың диффузиялық қабілеттерінің берілген қасиеттері бар компонентті басым тасымалдау режимінде конвективті араласуды қарқындандыруға әсер ету механизмдері ашылды. Сандық түрде үштік қоспада компоненттердің диффузиялық коэффициенттеріндегі айырмашылықтың жоғарылауымен концентрациялардың сызықтық емес таралуы үшін жағдайлар, содан кейін жүйеде тығыздық инверсиясы пайда болатындығы көрсетілген. Жүйенің механикалық тепе-теңдігінің бұзылуы тұрғысынан ең қауіпті – бұл газ қоспасының тығыздығынан туындының максималды мәні жүзеге асырылатын диффузиялық каналдың координаттары. Сонымен қатар, орташа молекулалық салмағы бар компоненттің қысымы мен құрамының жоғарылауымен экстремум координаттарындағы тығыздық айырмасы артады және белгілі бір қысымнан туындаған нақты тығыздық айырмасында «диффузия – конвекция» ауысуы ғана емес, сонымен қатар ең үлкен молекулалық салмағы бар компонентпен байытылған конвективті ағындардың қарқындылығы да жүреді.
Рэлейдің диффузиялық сандары тұрғысынан изотермиялық үштік газ қоспалары үшін тік каналдарда концентрациялық конвективті ағындардың пайда болуын болжауға мүмкіндік беретін қатынастар алынды. Конвективті тұрақсыздық пен нөлдік тығыздық градиентінің шекаралық сызықтарының өзара орналасуы қоспаның күйі тұрақсыз болған кезде олардың арасындағы сектордың болуын көрсетеді, дегенмен каналдың жоғарғы жағындағы тығыздық төменгі жағына қарағанда аз. Бұл аймақта конвекцияның пайда болуы ортаның кездейсоқ жоғары қарай жылжитын элементі тығыздығы төмен және басқа құрамы бар қоспаға түсетіндігімен түсіндіріледі. Компоненттердің диффузиялық коэффициенттеріндегі айырмашылық компоненттің тығыздығы бойынша жеңіл концентрациясының теңестірілуіне әкеледі. Ауысқан элемент қоршаған ортаны жеңілдетіп, тұрақсыздықты тудырады және оның жетіспеушілігі теңестіріледі.
Құрамында парниктік газдар бар изотермиялық көпкомпонентті қоспалардағы конвективті тұрақтылықты талдау парниктік газдардың нақты қасиеттерін ескеретін қозғалыс, диффузия және күй теңдеулерінің бірлескен шешімі негізінде жүзеге асырылды. Алынған шекаралық қатынастар идеалды қатты ортаның жуықтауында есептелген нәтижелермен салыстырылды. Картограммаларда Рэлей сандарының координаттарында сәйкесінше, нақты және идеалды жуықтауда алынған тұрақтылықтың шекаралық сызықтарының бағытында сәйкессіздік байқалады. Зерттеулер көрсеткендей, нақты газ қоспаларындағы қысымның жоғарылауымен ең үлкен молекулалық салмағы бар компоненттің диффузиялық қабілеті айтарлықтай төмендейді, сондықтан мұндай қоспаларда компоненттердің ең кіші және ең үлкен молекулалық салмағы бар компоненттердің диффузиялық коэффициенттеріндегі сәйкессіздік идеалды ортаға жақындаған кезде сипатталған аналогтарға қарағанда көбірек болады. Осылайша, нақты парниктік газдармен қоспалардағы ең жоғары тығыздықтағы компонентті араласу одан да қарқынды болады.

3. Конвективті құрылымдарды сандық модельдеу және олардың бастапқы кезеңнен кейінгі эволюциясы.

Тығыздық градиентінің ерікті мәні бар үштік газ қоспаларында сандық эксперимент жүргізу үшін Больцман тор теңдеулерінің D2Q9 моделіне негізделген газдық араласуды модельдеудің математикалық алгоритмі жасалды. Сандық зерттеулер көрсеткендей, белгілі бір жағдайларда газ қоспасының тығыздығының монотонды емес таралуына әкелетін компоненттер концентрациясының айтарлықтай сызықтық емес таралулары пайда болады. Негізінен парниктік газдардан тұратын құрылымдық конвективті ағындардың пайда болу уақыты мен кейінгі даму кезеңдеріне, сондай-ақ компоненттердің орташа тасымалдану жылдамдығына және қысымның пульсациясына баға берілді.
Не + СО₂ – N2, CH₄ + R12  – n-C₄H₁₀, He + 0,4857 CO₂ – 0,5148 CH₄ + 0,4852 CO₂ үштік қоспаларда пайда болған конвективті ағындардың бастапқы фазасы үшін араласу кезеңдері анықталды. Диффузиялық араласу режимінен конвективтіге ауысу эволюциясын зерттеу есептелген аймақта жүзеге асырылатын алынған изоконцентрлік сызықтарды талдауды анықтауға мүмкіндік беретін араласу кезеңінің бастапқы кезеңінде уақыттың нөлдік моментінен t₁ мәніне дейін жүйеде диффузия байқалатынын көрсетеді. Кеңістікте сызықты емес монотонды түрде таралады. t₂ уақытынан бастап изоконцентрлік сызықтардың қисаюы және есептеу аймағының төменгі жағына қарай қоспадағы ең үлкен молекулалық салмағы бар компонент концентрациясының өсуі байқалады. Изоконцентрлік сызықтардың қисаюы орын алады (t₃ уақыт моменті) және жүйеде диффузиялық режимнен конвективті режимге өтуді анықтайтын механикалық тепе-теңдіктің тұрақсыздығының пайда болуымен байланысты жағдайлар жүзеге асырылады. Механикалық тепе-теңдіктің тұрақсыздығының даму эволюциясын одан әрі бақылау тағы бірнеше уақытты анықтауға мүмкіндік береді. t₄ уақытына қарай жүйеде негізінен ең үлкен молекулалық салмағы бар компоненттен тұратын конвективті құрылым қалыптасады. Сипаттамалық уақыт ауырлық күшінің өрісіндегі құрылымның қозғалу уақытының басталуын анықтайды.
2023 жылғы ғылыми басылымдар.

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).

Халықаралық конференциялардың материалдары мен тезистері.

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.