Multiscale supercomputer modeling of gas purification processes by the adsorption method

Keywords:

multiscale supercomputer modeling, gas purification by adsorption, high-performance computing

Abstract

This paper considers the problem of supercomputer modeling of processes for cleaning the air from fine-dispersed solid polluting impurities clustered in the form of nanoparticles. The simulated purification method involves the use of nanofilters and sorbents. Both the purification methods are often combined in modern treatment systems. The cleaning method using nanofilters allows one to obtain the high quality of purification, but is expensive due to the need for frequent replacement of filter elements (membranes). The cleaning method using sorbents is somewhat worse in quality, however, it allows cleaning many times after washing the sorbent with special liquids. To optimize air cleaning systems using nanofilters and sorbents, a detailed study of the processes occurring in the cleaning system is necessary. The proposed study considers part of the problem associated with the passage of an air stream containing solid pollutant nanoparticles through a layer of granular sorbent. To accomplish this, a multiscale mathematical model, a numerical algorithm and a parallel implementation of the model on a macroscopic scale have been developed. The novelty of the approach is associated with the use of a quasigasdynamic model to describe the flow in the sorbing layer and several variants of the boundary conditions on the sorbent granules. Preliminary calculations show the possibility of calculating flows of a similar class.

Authors

S.V. Polyakov,
Yu.N. Karamzin,
T.A. Kudryashova,
V.O. Podryga,
D.V. Puzyrkov,
N.I. Tarasov,

References

  1. Страус В. Промышленная очистка газов. М.: Химия, 1981.
  2. Кельцев Н.В. Основы адсорбционной техники. М.: Химия, 1976.
  3. Матвейкин В.Г., Погонин В.А., Путин С.Б., Скворцов С.А. Математическое моделирование и управление процессом короткоцикловой безнагревной адсорбции. М.: Машиностроение-1, 2007.
  4. Пикалов Е.С. Процессы и аппараты защиты окружающей среды. Физико-химические методы очистки промышленных выбросов в атмосферу и гидросферу. Владимир: Изд-во ВлГУ, 2016.
  5. Горбатенко Ю.А. Адсорбция примесей токсичного газа из загрязненного воздуха. Екатеринбург: УГЛТУ, 2014.
  6. Мазгаров А.М., Корнетова О.М. Технологии очистки попутного нефтяного газа от сероводорода. Казань: Казан. ун-т, 2015.
  7. Щербань Г.Т., Жукова М.И., Никулин Н.А., Обрубов В.А. Ресурсосбережение при очистке отходящих газов промышленности синтетического каучука. М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1988.
  8. Бегун Л.Б., Траченко В.И. Адсорбционная очистка газовых выбросов от органических соединений. М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1985.
  9. Кузьменко Н.М., Афанасьев Ю.М., Фролов Г.С., Глупанов В.Н. Адсорбционная очистка природного газа от сернистых соединений. М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1987.
  10. Брунауэр С. Адсорбция газов и паров. М.: Издатинлит, 1948.
  11. Штокман Е.А. Очистка воздуха. М.: АСВ, 2007.
  12. Гладышев Н.Ф., Гладышева Т.В., Дворецкий С.И. Системы и средства регенерации и очистки воздуха обитаемых герметичных объектов. М.: Спектр, 2016.
  13. Солдатов В.С., Шункевич А.А., Марцинкевич В.В. Сравнительные исследования процесса умягчения воды гранульными и волокнистыми ионитами // Журнал прикладной химии. 2001. 74, № 9. 1477–1480.
  14. Захарченко Е.А., Моходоева О.Б., Мясоедова Г.В. Использование волокнистых “наполненных” сорбентов для динамического концентрирования благородных металлов // Сорбционные и хроматографические процессы. 2005. 5, № 5. 679–689.
  15. Комарова И.В., Галкина Н.К., Шептовецкая К.И. Исследования волокнистого сорбента, наполненного катионитом КУ-2, с использованием математических моделей процесса умягчения воды // Сорбционные и хроматографические процессы. 2010. 10, № 3. 371–377.
  16. Карамзин Ю.Н., Кудряшова Т.А., Подрыга В.О., Поляков С.В. Многомасштабное моделирование нелинейных процессов в технических микросистемах // Математическое моделирование. 2015. 27, № 7. 65–74.
  17. Kudryashova T., Karamzin Yu., Podryga V., Polyakov S. Two-scale computation of N2–H2 jet flow based on QGD and MMD on heterogeneous multi-core hardware // Advances in Engineering Software. 2018. 120. 79–87.
  18. Podryga V.O., Karamzin Yu.N., Kudryashova T.A., Polyakov S.V. Multiscale simulation of three-dimensional unsteady gas flows in microchannels of technical systems // Proc. of the Seventh European Congress on Computational Methods in Applied Sciences and Engineering (ECCOMAS 2016). https://www.eccomas2016.org/proceedings/pdf/8869.pdf.
  19. Подрыга В.О. Многомасштабный подход к трехмерному расчету течений газов и их смесей в микроканалах технических систем // Доклады АН. 2016. 469, № 6. 656–658.
  20. Подрыга В.О., Поляков С.В. Параллельная реализация многомасштабного подхода для расчета микротечений газа // Вычислительные методы и программирование. 2016. 17. 147–165.
  21. Подрыга В.О., Поляков С.В. Многомасштабное моделирование истечения газовой струи в вакуум. Препринты ИПМ им. М.В. Келдыша. № 81. М., 2016.
  22. Kudryashova T., Podryga V., Polyakov S. HPC-simulation of gasdynamic flows on macroscopic and molecular levels // Nonlinearity. Problems, Solutions and Applications. New York: Nova Science Publishers, 2017. 543–556.
  23. Хейфец Л.И., Неймарк А.В. Многофазные процессы в пористых средах. М.: Химия, 1982.
  24. Москалев П.В., Шитов В.В. Математическое моделирование пористых структур. М: Физматлит, 2007.
  25. Хокни Р., Иствуд Дж. Численное моделирование методом частиц. М.: Мир, 1987.
  26. Rapaport D.C. The art of molecular dynamics simulation. Cambridge: Cambridge University Press, 2004.
  27. Fishman G.S. Monte Carlo: concepts, algorithms, and applications. New York: Springer, 1996.
  28. Белоцерковский О.М., Хлопков Ю.И. Методы Монте-Карло в механике жидкости и газа. М.: Азбука, 2008.
  29. Chetverushkin B.N. Kinetic schemes and quasi-gasdynamic system of equations. Barcelona: CIMNE, 2008.
  30. Елизарова Т.Г. Квазигазодинамические уравнения и методы расчета вязких течений. М.: Научный мир, 2007.
  31. Шеретов Ю.В. Динамика сплошных сред при пространственно-временном осреднении. Ижевск: Регулярная и хаотическая динамика, 2009.
  32. Елизарова Т.Г., Злотник А.А., Четверушкин Б.Н. О квазигазо- и гидродинамических уравнениях бинарных смесей газов // Доклады АН. 2014. 459, № 4. 395–399.
  33. Подрыга В.О., Поляков С.В., Пузырьков Д.В. Суперкомпьютерное молекулярное моделирование термодинамического равновесия в микросистемах газ–металл // Вычислительные методы и программирование. 2015. 16. 123–138.
  34. Подрыга В.О., Поляков С.В. Молекулярно-динамический расчет макропараметров газа в потоке и на границе. Препринты ИПМ им. М.В. Келдыша. № 80. М., 2016.
  35. Марчук Г.И. Методы расщепления. М.: Наука, 1988.
  36. Eymard R., Gallou¨et T., Herbin R. Finite volume methods // Handbook of Numerical Analysis. Vol. 7. Amsterdam: North Holland Publishing Company, 2000. 713–1018.
  37. Григорьев Ю.Н., Вшивков В.А., Федорук М.П. Численное моделирование методами частиц в ячейках. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2004.
  38. Попов И.В., Поляков С.В. Построение адаптивных нерегулярных треугольных сеток для двумерных многосвязных невыпуклых областей // Математическое моделирование. 2002. 14, № 6. 25–35.
  39. Computational Fluid Dynamics in ANSYS CFX. https://www.cadfem-cis.ru/products/ansys/fluids/cfx/.
  40. Попов И.В., Фрязинов И.В. Метод адаптивной искусственной вязкости численного решения уравнений газовой динамики. М.: КРАСАНД, 2015.
  41. Карамзин Ю.Н., Поляков С.В. Экспоненциальные конечно-объемные схемы для решения эллиптических и параболических уравнений общего вида на нерегулярных сетках // Сеточные методы для краевых задач и приложения, Материалы Восьмой Всероссийской конференции. Казань: Изд-во Казанского гос. ун-та, 2010. 234–248.
Published
2020-02-13
How to Cite
Polyakov, S., Karamzin, Y., Kudryashova, T., Podryga, V., Puzyrkov, D., & Tarasov, N. (2020). Multiscale supercomputer modeling of gas purification processes by the adsorption method. Numerical Methods and Programming, 21(63), 64-77. Retrieved from https://en.num-meth.rcc.msu.ru/index.php/journal/article/view/1048
Section 1. Numerical methods and applications