Multiscale supercomputer modeling of gas purification processes by the adsorption method

Рассматривается проблема суперкомпьютерного моделирования процессов очистки воздушной среды от мелкодисперсных твердых загрязняющих примесей, кластеризованных в виде наночастиц. Моделируемый способ очистки предполагает применение нанофильтров и сорбентов. Оба способа очистки часто комбинируются в современных очистных системах. Способ очистки с помощью нанофильтров позволяет получить высокое качество, но является дорогостоящим вследствие необходимости частой замены фильтрующих элементов (мембран). Способ очистки с помощью сорбентов оказывается несколько хуже по качеству, однако позволяет проводить очистку многократно после промывки сорбента специальными жидкостями. Для оптимизации систем воздушной очистки, использующих нанофильтры и сорбенты, необходимо детальное исследование протекающих в системе очистки процессов. В предлагаемом исследовании рассматривается часть проблемы, связанная с прохождением воздушного потока, содержащего твердые наночастицы загрязнителя, через слой гранулированного сорбента. Для этого разработаны многомасштабная математическая модель, численный алгоритм и параллельная реализация модели на макроскопическом масштабе. Новизна подхода связана с использованием квазигазодинамической модели для описания течения в сорбирующем слое и нескольких вариантов граничных условий на гранулах сорбента. Предварительные расчеты показали возможность расчета течений подобного класса. 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.