High-performance computing technologies of modeling and identification of adsorption in nanoporous systems with feedbacks for gas purification

Abstract

Розглянуто високоефективні обчислювальні технології моделювання та ідентифікації адсорбції в нанопористих системах зі зворотними зв'язками для очищення газу. Моделювання кінетики адсорбції газу в мікропористому адсорбенті та відповідної регенерації опирається на використання математичної моделі, що включає баланс маси й тепла. Аналітичні розв’язки проблеми неізотермічної адсорбції та десорбції ґрунтуються на операційному методі Гевісайда й інтегральних перетвореннях Лапласа, але запропонована методика обчислень є новою. Представлено експериментальні та модельні розподіли вологи й температури газу на вході та виході шару адсорбента для кожної фази адсорбції – десорбції в різні часові інтервали. Визначено розподіл вологи в межах шару для повного циклу зневоднення – регенерації. Проведені дослідження підтвердили ефективність технології «адсорбція- десорбція» для очищення природного газу, що використовується в якості палива в екстремальних кліматичних умовах. Після кожного циклу сушіння залишковий вміст вологи в газі нижче максимально допустимого значення. Варіювання вологи газу на виході з колони регенерації відображає кінетику внутрішньої десорбції вологи та вказує, що процес регенерації характеризується двома специфічними періодами: нагріванням адсорбента й регенерацією періоду. Далі спостерігається вища й стабільніша температура, яка постійно піднімається. Розв’язок запропонованої математичної моделі процесу адсорбції газу на пористому твердому тілі та його регенерації базується на оригінальному алгоритмі, розробленому з використанням операційного методу Гевісайда та інтегральних перетворень Лапласа. Ця високоефективна обчислювальна технологія моделювання й ідентифікації адсорбції в нанопористих системах зі зворотними зв'язками може слугувати основою для багатьох застосувань, що стосуються подібного типу процесів очищення в обмеженому середовищі.

The paper deals with high-performance computing technologies of modeling and identification of adsorption in nanoporous systems with feedbacks for gas purification. Analytical solutions to the problem of non-isothermal adsorption and desorption are based on Heaviside’s operational method and Laplace integral transform, but the development of calculations is quite original. Experimental and modeling distributions of moisture and temperatures of gas at the inlet and outlet of the silica beds for each adsorption – desorption phase at different times are presented. The distribution of moisture within the beds for the full dehydration – regeneration cycle is determined.