probenerИзвестия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИPower engineering: research, equipment, technology1998-99032658-5456Kazan State Power Engineering University10.30724/1998-9903-2025-27-1-126-138probener-3311Research ArticleТЕОРЕТИЧЕСКАЯ И ПРИКЛАДНАЯ ТЕПЛОТЕХНИКАTHEORETICAL AND APPLIED HEAT ENGINEERINGПоликанальная математическая модель разделения жидких аэрозольных систем в насадочных скрубберах-охладителяхMultichannel mathematical model of separation of liquid aerosol systems in packed scrubber-coolershttps://orcid.org/0000-0001-6811-6219ЛаптеваЕ. А.LaptevaE. A.

Лаптева Елена Анатольевна – канд. техн. наук, доцент кафедры «Энергообеспечение предприятий, строительство зданий и сооружений»

г. Казань

Elena A. Lapteva

Kazan

grivka100@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0003-4393-2756АласгарлиС.У.О.SeymurS.U.O.

Сеймур Ульви Оглы Аласгарли – аспирант кафедры «Инженерная экология и безопасность труда» (ИЭ)

г. Казань

Seymur Ulvi Ogly Alasgarli

Kazan

sem_aleskerli@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0003-6560-9757КлочковаВ. А.KlochkovaV. A.

Клочкова Валентина Александровна – аспирант, инженер 1 категории кафедры «Инженерная экология и безопасность труда» (ИЭ)

г. Казань

Valentina A. Klochkova

Kazan

klochkova.valentinka@mail.ruКазанский государственный энергетический университетРоссияKazan State Power Engineering UniversityRussian Federation202517032025271126138Copyright © Лаптева Е.А., Аласгарли С., Клочкова В.А., 20252025Лаптева Е.А., Аласгарли С., Клочкова В.А.Lapteva E.A., Seymur S., Klochkova V.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.energyret.ru/jour/article/view/3311

АКТУАЛЬНОСТЬ исследования заключается в полученной математической модели расчета эффективности разделения аэрозольных систем, которая учитывает неравномерный профиль скорости газа в насадочном газосепараторе-скруббере.

ЦЕЛЬЮ является на основе разработанной математической модели создание инженерной методики расчета эффективности насадочных скрубберах-охладителей совместно с разделением аэрозолей с привлечением данных по гидравлическому сопротивлению локальных зон слоя хаотичной насадки и неравномерного профиля скорости газа.

МЕТОДЫ заключаются в применении дифференциального уравнения массопереноса аэрозольных частиц с локальным объемным источником массы переноса и осаждения частиц на поверхность хаотичной насадки. Для этого используется теория турбулентно-инерционного механизма осаждения частиц при больших скоростях движения аэрозольных систем. Объемный источник массы связан с коэффициентом скорости турбулентный миграции частиц, разностью концентраций и с удельной поверхностью насадки. Уравнение массопереноса частиц записано в одномерной постановке для ряда параллельных условных каналов насадочного слоя с различной скоростью движения газа. Научная новизна состоит в математической модели сепарации аэрозолей, которая с небольшими вычислительными затратами позволяет прогнозировать влияние неоднородности размещения насадки и неравномерность профиля скорости газа на эффективность процесса разделения.

РЕЗУЛЬТАТАМИ является установленное влияние неравномерного профиля скорости газа в насадочном слое на профиль концентрации частиц и на эффективность сепарации аэрозолей, что очень важно при проектировании или модернизации скрубберов-охладителей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. В результате применения разработанной математической модели и методики расчетов выявлено влияние различной скорости газа в хаотичном насадочном слое на эффективность разделения аэрозольных систем. Показано, что наличие неравномерностей снижает эффективность разделения на 5-33%, что необходимо учитывать при проектировании контактных скрубберов с насадками при очистке газа от дисперсной фазы на предприятиях топливноэнергетического комплекса.

THE RELEVANCE of the study lies in the obtained mathematical model for calculating the efficiency of separation of aerosol systems, which takes into account the uneven profile of the gas velocity in the nozzle gas separator-scrubber.

THE PURPOSE is, based on the developed mathematical model, to create an engineering methodology for calculating the efficiency of nozzle scrubber coolers together with aerosol separation using data on the hydraulic resistance of local zones of the chaotic nozzle layer and an uneven gas velocity profile.

METHODS consist in the application of a differential equation of mass transfer of aerosol particles with a local volumetric source of mass transfer and deposition of particles on the surface of a chaotic nozzle. For this purpose, the theory of the turbulent inertial mechanism of particle deposition at high velocities of aerosol systems is used. The volumetric mass source is related to the coefficient of the turbulent particle migration rate, the concentration difference and the specific surface area of the nozzle. The equation of mass transfer of particles is written in a one-dimensional formulation for a number of parallel conditional channels of the packing layer with different gas velocity. The scientific novelty consists in a mathematical model of aerosol separation, which, with low computational costs, makes it possible to predict the effect of inhomogeneity of nozzle placement and uneven gas velocity profile on the efficiency of the separation process.

RESULTS are the established effect of the uneven gas velocity profile in the packing layer on the particle concentration profile and on the efficiency of aerosol separation, which is very important when designing or upgrading scrubber coolers.

CONCLUSION. As a result of the application of the developed mathematical model and calculation methodology, the influence of different gas velocities in a chaotic packing layer on the separation efficiency of aerosol systems has been revealed. It is shown that the presence of irregularities reduces the separation efficiency by 5-33%, which must be taken into account when designing contact scrubbers with nozzles for gas purification from the dispersed phase at enterprises of the fuel and energy complex.

разделение аэрозолейматематическая модельтурбулентная миграциянеравномерность скорости газаэффективность разделенияaerosol separationmathematical modelturbulent migrationuneven gas velocityseparation efficiencyРабота выполнена за счет гранта Академии наук Республики Татарстан, предоставленного молодым кандидатам наук (постдокторантам) с целью защиты докторской диссертации, выполнения научно-исследовательских работ, а также выполнения трудовых функций в научных и образовательных организациях Республики Татарстан в рамках Государственной программы Республики Татарстан «Научно-технологическое развитие Республики Татарстан».The work was carried out at the expense of a grant from the Academy of Sciences of the Republic of Tatarstan, provided to young candidates of science (postdoctoral students) for the purpose of defending a doctoral dissertation, carrying out research work, and also performing work functions in scientific and educational organizations of the Republic of Tatarstan within the framework of the State Program of the Republic of Tatarstan “Scientific and Technological Development of the Republic of Tatarstan”.ReferencesБирюков А.Б., Лебедев А.Н., Каминский К.Д. Использование комбинированных устройств глубокого охлаждения дымовых газов на водогрейных котлах системы ЖКХ // Вестник Донецкого национального университета. Серия Г: Технические науки. 2024. № 1. С. 69-81.Biryukov A.B., Lebedev A.N., Kamensky K.D. Application of combined devices for deep cooling of flue gases on hot water boilers of the housing and communal services system // Bulletin of Donetsk National University. Series G: Technical Sciences. 2024. No. 1. pp. 69-81.Платонов Н.И. Расчет тепломассообмена между газом и свободной жидкостной пленкой в контактном теплообменнике// Теплоэнергетика. 2008. № 3. С. 18-23.Platonov N.I. Calculation of heat and mass transfer between a gas and a free liquid film in a contact heat exchanger// Thermal power engineering. 2008. No. 3. pp. 18-23.Алешин В.И., Рубан В.С., Сазоненко В.М. Ресурсосберегающие способы охлаждения сжимаемого газа// Известия вузов. 2020. Пищевая технология. №1 (373) с. 73-77.Aleshin V.I., Ruban V.S., Sazonenko V.M. Resource-saving methods of cooling compressed gas// News of universities. 2020. Food technology. No.1 (373) pp. 73-77.Хайбулов Р.А. Исследование гидродинамических характеристик контактного устройства массообменного аппарата с направленным вводом газа // Вестник Астраханского государственного технического университета. 2024. № 1(20) с. 231-238.Khaibulov R.A. Investigation of the hydrodynamic characteristics of the contact device of a mass transfer apparatus with directional gas input // Bulletin of the Astrakhan State Technical University. 2024. No. 1(20) pp. 231-238.Широков В.А., Орлова М.Н. Методика расчета эффективности использования теплоты продуктов сгорания природного газа в контактных теплообменниках // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. 2023. №1 (310) с. 50-54.Shirokov V.A., Orlova M.N. Methodology for calculating the efficiency of using the heat of natural gas combustion products in contact heat exchangers // Environmental protection in the oil and gas complex. 2023. No.1 (310) pp. 50-54.Покрышкин К.В. и др. Современные схемы конечного охлаждения коксового газа // Кокс и химия. 2024. №8. с.26-35.Pokryshkin K.V. et al. Modern schemes of final cooling of coke oven gas // Coke and chemistry. 2024. No.8. pp.26-35.Бахронов Х.Ш., Ганиева С.У. Ход развития аппаратов для очистки газов от пыли // Journal of agvanes in engineering technology. 2022.№2. с. 33-38.Bakhronov H.Sh., Ganieva S.U. The course of development of devices for cleaning gases from dust // Journal of agvanes in engineering technology. 2022.No.2. pp. 33-38.Орлов А.О., Чернушевич Е.Э., Макамович С.С., Лепетило С.И. Очистка дымовых газов от оксида азота и угольной пыли // Современные достижения научно-технического прогресса. 2023. №2(7). С.14-18.Orlov A.O., Chernushevich E.E., Makamovich S.S., Lepetilo S.I. Purification of flue gases from nitrogen oxide and coal dust // Modern achievements of scientific and technical progress. 2023. No.2(7). pp.14-18.Маслобитов М.В., Козлов Д.А., Булгаков Д.М., Рязанцева А.В. Методы очистки от угольной пыли уходящих газов на ТЭЦ // Тенденции развития науки и образования. 2021. № 73-3. С. 104-109.Maslobitov M.V., Kozlov D.A., Bulgakov D.M., Ryazantseva A.V. Methods of cleaning exhaust gases from coal dust at CHP plants // Trends in the development of science and education. 2021. No. 73-3. pp. 104-109.Karimov L., Qo`choarov B. Resistan coefficients the apparatus with mesh wet cleaning of gust gases // Fergana Polytechie Instute. 2023. № 1-5 (106). С. 8-13.Karimov L., Qo`choarov B. Resistan coefficients the apparatus with mesh wet cleaning of gust gases // Fergana Polytechie Instute. 2023. № 1-5 (106). С. 8-13.D. Dorhjie, D. Pereponov, T. Aminev, A. Gimazov, D. Khamidullin, D. Kuporosov, M. Tarkhov1, A. Rykov, I. Filippov, E. Mukhina, E. Shilov, P. Grishin and A. Cheremisin. Kinetics of Phase Separation and Saturation Profile of Gas Condensates: a Microfluidic and Numerical Analysis // European Association of Geoscientists & Engineers 85th EAGE Annual Conference & Exhibition (including the Workshop Programme), Jun 2024, Volume 2024, p.1 – 5.D. Dorhjie, D. Pereponov, T. Aminev, A. Gimazov, D. Khamidullin, D. Kuporosov, M. Tarkhov1, A. Rykov, I. Filippov, E. Mukhina, E. Shilov, P. Grishin and A. Cheremisin. Kinetics of Phase Separation and Saturation Profile of Gas Condensates: a Microfluidic and Numerical Analysis // European Association of Geoscientists & Engineers 85th EAGE Annual Conference & Exhibition (including the Workshop Programme), Jun 2024, Volume 2024, p.1 – 5.Fei Zhang, Youyu Lu, Shaoyan Zhu, Funian Han, Guanghua Wen, Ping Tang, Zibing Hou. Mathematical model and numerical investigation of the influence of spray drying parameters on granule sizes of mold powder. Particuology Volume 85, February 2024, Pages 280-295Fei Zhang, Youyu Lu, Shaoyan Zhu, Funian Han, Guanghua Wen, Ping Tang, Zibing Hou. Mathematical model and numerical investigation of the influence of spray drying parameters on granule sizes of mold powder. Particuology Volume 85, February 2024, Pages 280-295Vasyl Mykhailiuk, Michał Zasadzień, Mikhailo Liakh, Ruslan Deineha, Yurii Mosora and Oleh Faflei. Analysis of the Possibility of Modeling Gas Separators using Computational Fluid Dynamics // Management Systems in Production Engineering Volume 32 (2024): Issue 1 (March 2024)Vasyl Mykhailiuk, Michał Zasadzień, Mikhailo Liakh, Ruslan Deineha, Yurii Mosora and Oleh Faflei. Analysis of the Possibility of Modeling Gas Separators using Computational Fluid Dynamics // Management Systems in Production Engineering Volume 32 (2024): Issue 1 (March 2024)Lele Yang a, Xiaodong Chen a, Chengyu Huang a, Sen Liu b, Bo Ning c, Kai Wang b A review of gas-liquid separation technologies: Separation mechanism, application scope, research status, and development prospects // Chemical Engineering Research and Design. Volume 201, January 2024, Pages 257-274.Lele Yang a, Xiaodong Chen a, Chengyu Huang a, Sen Liu b, Bo Ning c, Kai Wang b A review of gas-liquid separation technologies: Separation mechanism, application scope, research status, and development prospects // Chemical Engineering Research and Design. Volume 201, January 2024, Pages 257-274.O. Liaposhchenko et al., "Improvement of Parameters for the Multi-Functional Oil-Gas Separator of “HEATER-TREATER” Type," 2019 IEEE 6th International Conference on Industrial Engineering and Applications (ICIEA), Tokyo, Japan, 2019, pp. 66-71.O. Liaposhchenko et al., "Improvement of Parameters for the Multi-Functional Oil-Gas Separator of “HEATER-TREATER” Type," 2019 IEEE 6th International Conference on Industrial Engineering and Applications (ICIEA), Tokyo, Japan, 2019, pp. 66-71.Эффективность прямоугольного сепаратора в зависимости от оформления элементов внутри аппарата / А. В. Дмитриев, В. Э. Зинуров, О. С. Дмитриева, В. Л. Нгуен // Вестник Казанского государственного энергетического университета. – 2018. – Т. 10, № 1(37). – С. 74-81.The efficiency of a rectangular separator depending on the design of the elements inside the apparatus / A.V. Dmitriev, V. E. Zinurov, O. S. Dmitrieva, V. L. Nguyen // Bulletin of the Kazan State Energy University. - 2018. – Vol. 10, No. 1(37). – pp. 74-81.Сравнение технических характеристик мультивихревого сепаратора с циклонами различных модификаций / В. Э. Зинуров, А. В. Дмитриев, Р. Я. Биккулов [и др.] // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. – 2023. – Т. 25, № 3. – С. 117-127.Comparison of the technical characteristics of a multi-vortex separator with cyclones of various modifications / V. E. Zinurov, A.V. Dmitriev, R. Ya. Bikkulov [et al.] // Izvestia of higher educational institutions. Energy problems. – 2023. – Vol. 25, No. 3. – pp. 117-127.Сокол, Б. А., Чернышев А. К., Баранов. Д. А. Насадки массообменных колонн : – Москва : Галилея-принт, 2009. – 358 с.Sokol, B. A., Chernyshev A. K., Baranov. D. A. Nozzles of mass transfer columns : – Moscow : Galilee-print, 2009. – 358 p.Контактные насадки промышленных тепломассообменных аппаратов: монография / А. М. Каган, А. Г. Лаптев, А. С. Пушнов, М. И. Фарахов / под ред. А. Г. Лаптева. – Казань: Отечество, 2013. – 454 с.Contact nozzles of industrial heat and mass transfer devices: monograph / A.M. Kagan, A. G. Laptev, A. S. Pushnov, M. I. Farakhov / edited by A. G. Laptev. – Kazan: Fatherland, 2013. – 454 p.Витковская, Р. Ф. Аэродинамика и тепломассообмен насадочных аппаратов / Р. Ф. Витковская, А. С. Пушков, С. Шинкунас. — Санкт-Петербург : Лань, 2019. – 288 с.Vitkovskaya, R. F. Aerodynamics and heat and mass transfer of nozzle devices / R. F. Vitkovskaya, A. S. Pushkov, S. Shinkunas. — St. Petersburg : Lan, 2019. – 288 p.Лаптев А. Г., Башаров М. М., Лаптева Е. А. Математические модели и методы расчетов тепломассообменных и сепарационных процессов в двухфазных средах : – Казань : КГЭУ; Старый Оскол : ТНТ, 2021. – 288 с.Laptev A. G., Basharov M. M., Lapteva E. A. Mathematical models and calculation methods of heat and mass transfer and separation processes in two-phase media : – Kazan : KGEU; Stary Oskol : TNT, 2021. – 288 p.Медников, Е. П. Турбулентный перенос и осаждение аэрозолей: монография / Е. П. Медников. – Москва : Наука, 1980. – 176 с.Mednikov, E. P. Turbulent transport and aerosol deposition: monograph / E. P. Mednikov. – Moscow : Nauka, 1980. – 176 p.Сугак, Е. В., Войнов Н. А., Николаев Н. А. Очистка газовых выбросов в аппаратах с интенсивными гидродинамическими режимами // Сибирская аэрокосмическая акад., Сибирский гос. технологический ун-т, Казанский гос. технологический ун-т. - 2-е изд. - Казань : Отечество, 2009. - 222 с.Sugak, E. V., Voynov N. A., Nikolaev N. A. Purification of gas emissions in devices with intensive hydrodynamic regimes // Siberian Aerospace Academy, Siberian State Technological University, Kazan State Technological University - 2nd ed. - Kazan : Fatherland, 2009. - 222 p.Снижение потерь масла в компрессорных установках при охлаждении и перекачивании природного газа. Часть 1. Описание технологической схемы и математическая модель процесса / Т. Ф. Кадыров, А. А. Касьяненко, А. Г. Лаптев [и др.] // Газовая промышленность. – 2023. – № 9(854). – С. 72-80.Reduction of oil losses in compressor units during cooling and pumping of natural gas. Part 1. Description of the technological scheme and mathematical model of the process / T. F. Kadyrov, A. A. Kasyanenko, A. G. Laptev [et al.] // Gas industry. – 2023. – № 9(854). – Pp. 72-80.Лаптев, А.Г. Гидромеханические процессы в аппаратах химической технологии. учебносправочное пособие для вузов / А.Г. Лаптев – Санкт-Петербург: Лань, 2024 – 592 с.Laptev, A.G. Hydromechanical processes in chemical technology devices. educational reference manual for universities / A.G. Laptev – St. Petersburg: Lan, 2024 – 592 p.Laptev A.G., Lapteva E.A., Basharov M.M. Separation and energy efficiency of packed apparatuses for purifying gases from aerosols // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. 2017. Т. 51. № 5. С. 639-646.Laptev A.G., Lapteva E.A., Basharov M.M. Separation and energy efficiency of packed apparatuses for purifying gases from aerosols // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. 2017. Т. 51. № 5. С. 639-646.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.