Numerical Study of Methane Mixtures' Conversion Under the Influence of Laser Radiation

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The article presents a study of methane mixtures' laser conversion under various conditions of the computational experiment. Such flows are characterized by sharp local changes in the gas dynamic characteristics and the mixture components' concentrations. Their dynamics and mutual transformations are described by a stiff system of Navier-Stokes equations and chemical kinetics, which imposes serious restrictions on the choice of a computational algorithm. Numerical experiments were carried out using previously developed 2D code for modeling subsonic axisymmetric flows of a multicomponent medium, supplemented by modules that take into account laser radiation and solve equations of methane conversion's chemical kinetics. Verification of the results was made by calculating the conversion of methane under the influence of walls' external heating. Comparison of the substances' concentrations at the pipe outlet with the direct solution of the chemical kinetics system at different reaction temperatures showed a good agreement of the results. Computational experiments on the laser radiation's effect on the flow of a chemically active absorbing medium have been completed. It is shown that the laser radiation introduced into the mixture and absorbed by ethylene, changes the flow pattern and significantly increases the temperature of the gas mixture. An increase in temperature contributes to an increase in the yield of target products (ethylene, acetylene, hydrogen) at the reactor shorter length, while in the absence of radiation, the maximum concentrations of products appear at the reactor's outlet. The effect of the initial composition of the gas mixture on the methane's conversion is investigated, and it is concluded that the presence of ethylene significantly increases the formation of target products at moderate reactor walls' temperatures in the presence of laser radiation.

About the authors

Elizaveta E. Peskova

National Research Mordovia State University

Email: e.e.peskova@math.mrsu.ru
ORCID iD: 0000-0003-2618-1674

Ph.D. (Phys.-Math.), Associate professor, Department of Applied Mathematics, Differential Equations and Theoretical Mechanics

Russian Federation, 68/1 Bolshevistskaya St., Saransk 430005, Russia

Valeriy N. Snytnikov

Boreskov Institute of Catalysis SB RAS

Author for correspondence.
Email: snyt@catalysis.ru
ORCID iD: 0000-0003-2655-1532

Ph.D. (Phys.-Math.), Leading Researcher

Russian Federation, 5 Lavrentiev Ave., Novosibirsk 630090, Russia

References

  1. N. Masyuk, A. Sherin, V. N. Snytnikov, Vl. N. Snytnikov, "Effect of infrared laser radiation on gas-phase pyrolysis of ethane", Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 134 (2018), 122—129. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jaap.2018.05.017
  2. V. N. Snytnikov, V. N. Snytnikov, N. S. Masyuk, T. V. Markelova, "The absorption of CO2 laser radiation by ethylene in mixtures with methane", Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, 253 (2020), 107–119. DOI:
  3. https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2020.107119
  4. V. N. Snytnikov, V. N. Snytnikov, N. S. Masyuk, T. V. Markelova, V. N. Parmon, "A laser catalysis apparatus", Instruments and Experimental Techniques, 64:3 (2021), 474–482 (In Russ.). DOI: https://doi.org/10.31857/S003281622102021X
  5. E. A. Lashina, E. E. Peskova, V. N. Snytnikov, "Mathematical modelling of the dynamics of thermal conversion of methane-ethane mixtures in a wide temperature range", Khimiya v interesakh ustojchivogo razvitiya, 2023, no. 3, 288–296 (In Russ.).
  6. E. A. Lashina, E. E. Peskova, V. N. Snytnikov, "Mathematical modeling of the homogeneous-heterogeneous non-oxidative CH4 conversion: the role of gas-phase H or CH3", Reaction Kinetics, Mechanisms and Catalysis, 2023. DOI:
  7. https://doi.org/10.1007/s11144-023-02442-8
  8. Ansys Fluent, https://www.ansys.com/products/fluids/ansys-fluent.
  9. FlowVision, https://flowvisioncfd.com/en/.
  10. Open FOAM, Electronic resource, https://www.openfoam.com/.
  11. I. M. Gubaydullin, R. V. Zhalnin, V. F. Masyagin, E. E. Peskova, V. F. Tishkin, "Simulation of propane pyrolysis in a flow-through chemical reactor under constant external heating", Mathematical models and computer simulations, 13:3 (2021), 437–444.
  12. R. V. Zhalnin, E. E. Peskova, O. A. Stadnichenko, V. F. Tishkin, "Modeling the flow of a multicomponent reactive gas using high accuracy algorithms", Vestnik Udmurtskogo universiteta. Matematika. Mekhanika. Kompiuternye nauki, 27:1 (2017), 608–617 (In Russ.). DOI: https://doi.org/10.20537/vm170410
  13. E. E. Peskova, "Numerical modeling of subsonic axisymmetric reacting gas flows", Journal of Physics: Conference Series, 2057 (2021). DOI: https://doi.org/10.1088/1742-6596/2057/1/012071
  14. A. Majda, J. Sethian, "The derivation and numerical solution of the equations for zero Mach number combustion", Combust. Sci. Tech., 42 (1985), 185—205. DOI:
  15. https://doi.org/10.1080/00102208508960376
  16. R. G. Rehm, H. R. Baum, "The equation of motion for thermally driven, buoyant flows", J. Research NBS, 83:3 (1978), 297–308.
  17. M. S. Day, J.B. Bell, "Numerical simulation of laminar reacting flows with complex chemistry", Combustion Theory and Modelling, 4:4 (2000), 535–556. DOI: https://doi.org/10.1088/1364-7830/4/4/309
  18. O. A. Stadnichenko, V. N. Snytnikov, Vl. N. Snytnikov, N. S. Masyuk, "Mathematical modeling of ethane pyrolysis in a flow reactor with allowance for laser radiation effects", Chemical Engineering Research and Design, 109 (2016), 405–413. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cherd.2016.02.008
  19. E. Hairer, G. Wanner, Solving Ordinary Differential Equations II. Stiff and Differential-Algebraic Problems, Springer, Berlin, Heidelberg, 1996 DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-642-05221-7, 614 p.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2025 Peskova E.E., Snytnikov V.N.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».