name: Моделирование кинетики и динамики тепломассообменных процессов адсорбционной сепарации атмосферного воздуха неподвижным слоем гранулированных цеолитов
keyword_list: Адсорбция Цеолит Тепломассообменный процесс Атмосферный воздух Сепарация воздуха
abstract: Цель работы: установление закономерностей кинетики и динамики сорб-ционных процессов в блоке комплексной очистки воздухоразделительных установок с учетом тепловых эффектов для повышения эффективности адсорб-ционной очистки атмосферного воздуха в плотном гранулированном слое адсорбента. 
  Задачи исследования:
  – анализ современных подходов параметрического описания сорбционных процессов в плотном гранулированном неподвижном слое адсорбента в условиях генерации (поглощение теплоты);
  – оценка неравномерностей гидротермических полей в объеме адсорбера;
  – идентификация сорбционных изотерм компонентов примесей атмосферного воздуха при различных температурах и разработка на их основе микрокинетики диффузионного поглощения в бидисперсных адсорбентах (цеолитах);
  – разработка математических моделей сорбционных процессов с учетом тепловых эффектов; проведение вычислительных и натурных экспериментов по верификации геометрических, физико-химических и теплофизических параметров в блоке комплексной очистки воздухоразделительных установок;
  – разработка технических рекомендаций нивелирования теплоты адсорбции и повышение эффективности функционирования блока комплексной очистки воздухоразделительных установок.
  Основные выводы:
  1. Проведена оценка неоднородности турбулентного поля скоростей несущей среды в адсорбере с неподвижным дисперсным слоем гранулированного адсорбента. На основе уравнения Дарси-Бринкмана-Форчхеймера в стационарном и нестационарном режимах течения исследованы радиальное и аксиальное поля скоростей, для этого была сформулирована краевая задача, решенная аналитически. Показано, что гидродинамический режим в адсорбере близок к режиму идеального вытеснении за исключением приграничной области вблизи стенки корпуса адсорбера, при этом длина гидродинамического начального участка не существенна.
  2. Анализ массопереноса в вертикальном цилиндрическом зернистом слое при аксиальном вводе потока показал с помощью предложенной псевдо-диффузионной модели в формулировке начально-краевой задачи необходимость использования устройств выравнивающих поток на входе в адсорбер в виде рассевающего диска.
  3. Используя принцип суперпозиций и Ленгмюровское представление об адсорбции, предложена обобщенная изотерма многокомпонентной смеси примесей (влага, диоксид углерода и ацетилен). Постоянная Генри для каждой примеси определена из эмпирического соотношения, которое показывает ее зависимость от температуры кипения при атмосферном давлении.
  4. Внутригранулярный тепломассообмен рассмотрен в линейном при-ближении с использованием постулата Глюкауфа считая, что механизм переноса примесей к внутренней поверхности адсорбента определяется диффузионными механизмами: Кнудсеновским, молекулярным, поровым и Фольмеров-ским, обобщенные соотношением Босанквита. Теплота адсорбции идентифицирована из теоретической изотермы, полученной на основе двумерного уравнения Ван-дер-Ваальса. Верифицированы кинетические коэффициенты скоростей поглощения примесей адсорбентами, с помощью которых проведена оценка, показывающая увеличение температуры гранулы не менее чем на 4 К.
  5. Для прогнозирования повышения температуры в адсорбере предложена модель неизотермической макродинамики процесса адсорбции, состоящей из уравнения материального баланса в несущей среде, уравнений переноса теплоты в потоке и в слое адсорбента, уравнений микрокинетики и уравнения изотерм многокомпонентных смесей с учетом зависимости величины предельных поглощений обратно пропорциональной абсолютной температуре. Вычислительный эксперимент для БКО ТКДС–100В показал, что неоднородность температурного поля может достигать 10-15 °С. Для подтверждения адекватности математической модели адсорбции был проведен натурный эксперимент, в результате которого с использованием газоанализатора были получены дан-ные о концентрации диоксида углерода в продувочном газе на стадии термической десорбции. Интерпретация экспериментальных данных проведена с помощью предложенной математической модели термической десорбции, основанная на неизотермической модели адсорбции. Из экспериментов следует, что оптимальная температура для проведения процесса адсорбции составляет 5-15 °С. С помощью модели установлено, что процесс термической десорбции является эффективным, так как скорость теплового фронта существенно меньше диффузионного. 
  6. Суммарное количество диоксида углерода, извлеченного из адсорбента в адсорбере в результате термической десорбции, совпадает с расчетом по количеству поглощенной примеси в процессе адсорбции. Это подтверждает качественную и количественную адекватность неизотермических моделей сорб-ции, и может являться инструментарием прогнозирования влияния теплоты адсорбции на эффективность сепарации атмосферного воздуха для существующих и вновь проектируемых БКО ВРУ. 
  7. На основании проведенного теоретического анализа предложены способ и устройства, позволяющие нивелировать влияние теплоты адсорбции путем расположения рекуперативного теплообменника внутри адсорберов, а также использование зонного вложения гранулированных адсорбентов, ориентированных на определенный вид примесей, характеризующихся различным размером молекул.
  8. Результаты использованы в практической деятельности предприятий ОАО «НПО «ГЕЛИЙМАШ» г. Москва, АО «УКЗ» г. Екатеринбург, 929 ГЛИЦ МО РФ имени В.П. Чкалова г. Ахтубинск.
chairman_dissertation_council.name: Владимир
chairman_dissertation_council.surname: Петренко
chairman_dissertation_council.patronymic: Романович
chairman_dissertation_council.position: заведующий кафедрой
chairman_dissertation_council.degree: Доктор технических наук
chairman_dissertation_council.rank: Профессор
chairman_dissertation_council.wos_research_id: -
chairman_dissertation_council.scopus_author_id: 8940228300
chairman_dissertation_council.rinc_id: 690939
chairman_dissertation_council.territory: РОССИЯ
organization_supervisor.name: Лариса
organization_supervisor.surname: Клюева
organization_supervisor.patronymic: Александровна
organization_supervisor.position: начальник ОДС
organization_supervisor.territory: РОССИЯ
rubrics.code: 44.31.35
rubrics.name: Промышленная теплоэнергетика и теплотехника
rubrics.code: 44.31.03
rubrics.name: Теоретические основы теплотехники
rubrics.code: 29.17.15
rubrics.name: Газы
oecds.code: 02.07.IP
oecds.name: ENGINEERING, PETROLEUM
oecds.code: 02.03.DT
oecds.name: THERMODYNAMICS
speciality_codes.name: Теплофизика и теоретическая теплотехника
speciality_codes.code: 01.04.14
supervisors.fio: Филимонова Ольга Николаевна
supervisors.scientific_degree: Доктор технических наук
supervisors.speciality_code: Технология и переработка полимеров и композитов
supervisors.responsible_type: Научный руководитель
opponents.fio: Москалев Павел Валентинович
opponents.scientific_degree: Доктор физико-математических наук
opponents.speciality_code: Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
opponents.responsible_type: Оппонент
opponents.fio: Матвейкин Валерий Григорьевич
opponents.scientific_degree: Доктор технических наук
opponents.speciality_code: Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)
opponents.responsible_type: Оппонент
protection_organization.short_name: ФГБОУ ВО "ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ", ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ, ФГБОУ ВО "ВГТУ", ВГТУ
protection_organization.name: ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ "ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"
protection_organization.ogrn: 1033600070448
protection_organization.supervisor_name: СЕРГЕЙ
protection_organization.supervisor_surname: КОЛОДЯЖНЫЙ
protection_organization.supervisor_patronymic: АЛЕКСАНДРОВИЧ
protection_organization.organization_type: Организация
protection_organization.okogu: Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
protection_organization.okopf: Федеральные государственные бюджетные учреждения
author_organization.short_name: ВУНЦ ВВС "ВВА"
author_organization.name: Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации
author_organization.ogrn: 1123668041958
author_organization.organization_type: Организация
author_organization.okogu: Министерство обороны Российской Федерации
author_organization.okopf: Федеральные государственные казенные учреждения