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Cristiane Martins Simulação de Escoamentos Reativos AC 290.

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1 Cristiane Martins Simulação de Escoamentos Reativos AC 290

2 Revendo conceitos...4 ferramentas Os balanços materiais servem para calcular rapidamente a produção máxima de produtos. Inversamente para ser uma obtida uma dada produção permitiriam avaliar os consumos de matérias primas. A relação de equilíbrio permite fixar em 93% (por exemplo) o máximo absoluto da conversão possível e, ao mesmo tempo julgar antecipadamente o alcance prático da reação Os dados de velocidade permitem calcular o tempo necessário para se conseguir uma conversão prefixada (menor que a do equilíbrio) ou a conversão a esperar num tempo prefixado. Finalmente os balanços de energia nos permitem calcular a extensão do aquecimento ou resfriamento a ser previsto para a operação adequada do reator.

3 Modelagem cinética química é importante nos projetos de queimadores industriais, turbinas a gás, foguetes. Seja para prever desempenho seja para emissões.

4 geração x perdas Em qualquer sistema envolvendo combustão o sucesso está no equilíbrio entre geração e perda de energia. Caso as perdas sejam superiores a capacidade de geração o sistema se extingue.

5 AC 290 – Escamentos Reativos BalançoBalanço de Energiade Energia BalançoBalanço de Energiade Energia

6 PFR - Equação Difícil de ser resolvida analiticamente. Pode ser resolvida numericamente. Muito importante os insights físicos da solução gráfica que será apresentada a seguir. O termo a direita da equação pode ser pensado como termo de geração de calor. Descrito por pelo formato f(T) O termo a esquerda como termo de transferência de calor, que representa quanto de energia deixa o reator por unidade de tempo. Curva reta com inclinação 1/tres, ou seja, quanto menor tres mais brusca a subida.

7 Curva f(T) Dependência da taxa de reação na temperatura para sistema adiabático

8 Geração x perdas Altas perdas de calor (transferência) (Curva L1), ponto A é a solução estável, equilíbrio entre a geração de calor e perdas e ignição não ocorre. Calor é perdido tão logo é gerado. Ponto B não possível (instável): qualquer pequeno desvio deste ponto, ou volta para A ou ignita(para T>TB, geração é maior do que perdas e por isso ignição é possível). Para baixissímas perdas de calor (Curva L3), geração é sempre maior do que as perdas, e por isso a ignição sempre ocorrerá. Curve L2 mostra a condição cr´tica onde a curva de perdas de calor está tangente a curva de geração de calor. Isto marca o pnto de não- retorno, se perdas de calor é menor do que L2, ignição sempre ocorrerá. Comportamento dos sistema: Alta transferência de calor (perdas) ignição não ocorre, enquanto baixas perdas permitem ignição

9 termo de geração x termo de transferência HT1, HT2, HT3, HTcrit são as retas referentes a transferência de calor Curva G refere-se ao termo de geração de calor.

10 G parte de pequenos valores (Tin), pico próximo a Tf (temperatura adiabática) e cai para zero. O pico ocorre próximo, mas não em Tf. A curva G é determinada pela natureza do combustível, condições de entrada e pressão. HT são retas com inclinação igual a 1/tres, ou seja, mais ingreme quanto menor tempo de residência. O reator bem misturado operará na intersecção de tais linhas com a curva G. termo de geração x termo de transferência

11 HT1 – muito longo t res - (1 interseção, S1) HT2 – longo t res. (3 interseções, S2, S3 e S4) HT3 – curtíssimo t res (baixa temperatura, interseção S4) HT crit – refere-se a condição crítica

12 HT1 – reator opera somente na condição S1, tempo suficiente para que a combustão se complete. HT2 – S4 – baixas temperaturas, taxa de reação muito pequena S2- reator queimando em alta temperatura, temperatura menor que S1. Menor tempo de residência, menor T S3 – condição instável HT3 – Reator opera somente em solução de baixa T. HT crit – refere-se a condição crítica, para dado combustível, fração mássica de combustível e oxidante, pressão, e temperatura de entrada (ou seja para dada curva G) termo de geração x termo de transferência

13 Ciclo Otto - exemplo P, T, Comp

14 Perdas de Calor Durante a Queima Durante a combustão o volume do cilindro é muito pequeno. Perdas de calor para pistão e cabeça do cilindro são muito importantes. Ciclo otto _transferência (exemplo)

15 Ciclo Otto_ tempo de queima _ importância - Knock Quando a chama se propaga a partir da vela de ignição a P e T dos gases não- queimados aumenta. Sob certas condições o gás restante (end-gas) pode autoignitar e queimar muito rapidamente produzindo ondas de choque. O end-gas autoignita após um certo tempo de indução o qual é ditado pela cinética química da mistura ar-combustível. Se a chama queimar todo o gás fresco antes que a autoignição ocorra batida (knock) é evitada. Consequentemente batida é problema potencial quando o tempo de queima é longo. shock P,T time P,T end-gas flame

16 Knock – onda de choque

17 Combustão x explosão Combustão significa queima e explosão significa estouro, ou seja, combustão é um processo químico relativamente lento que produz luz e calor enquanto explosão é um processo mecânico que produz ruptura e ruído intenso, devido a grande força de pressão que pode ter origem química (por exemplo combustão confinada), térmica (como em boilers, mesmo aquecidos eletricamente), mecânica (como em balão ou qualquer vaso presurizado), nuclear etc...

18 Combustão - reações Reação Global: Reações Elementares:

19 AURORA prediz propriedades dependentes do tempo ou em regime permanente (steady state) de uma reator bem misturado ou rede de reatores. AURORA pode ser aplicado tanto sistema aberto quanto fechado, e também em sistemas que incluem química de superfície, tal como deposição ou processos catalíticos.

20 Métodos de solução numérica Nos problemas steady-state, equações são resolvidas utilizando método híbrido Newton/tempo de integração, TWOPNT, enquanto em problemas transientes utiliza o resolvedor DASPK de U.C. Santa Barbara.

21 mistura << químico O conteúdo de um reator bem misturado é assumido espacialmente uniforme devido a altas taxas de difusão ou mistura turbulenta forçada. Em outras palavras, a taxa de conversão de reagentes em produtos é controlada quimicamente pelas taxas de reações e não pelo processo de mistura. Assim se considera que o reator é limitado por reações cinéticas.

22 Considerações Iniciais - - Quais arquivos preciso para utilizar Chemkin? - Como utilizar Pós Processador?

23 Atenção – atente para arquivo de entrada A denominação dos regentes e/ou produtos deve ser idêntica tanto no arquivo de entrada quanto no arquivo aplicativo (aurora.inp) e no arquivo de dados termodinâmicos. Nos slides a seguir veremos 3 arquivos. Repare que em todos a denominação está idêntica, em letra minúscula.

24 arquivo – chem.inp

25 arquivo – aurora.inp

26 arquivo therm.dat

27 Problema 1 - Rodar mesmo problema exemplo com Tfixa = 1700 K

28 Rodar mesmo problema exemplo com Tfixa

29 Tfixa = 1700K e Tfixa = 1000K

30 Problema 2 Investigue o efeito do tempo de residência no CO emitido a partir de uma pré-mistura de CH4/ar na estequiometria. Fixe a temperatura em 1500 K. html

31 Passo 1- Busca de dados de entrada Mecanismo reacional / dados termodinâmicos/ dados de transporte Grimech 3.0 Salve os arquivos nas pastas adequadas. Verifique os arquivos. Caso ocorra erro salve extensão txt.

32 arquivo de mecanismo

33 arquivo dados termodinâmicos

34 arquivo de entrada

35 arquivo de entrada (cont)

36 Resultado de equilíbrio – T=1500K, P=1atm

37 Post-processing CO e CO 2 versus tempo de residência

38 O código Perfectly Stirred Reactor (PSR) - Sandia National Laboratories PSR prediz a temperatura e composição das espécies tanto em regime permanente (steady state) quanto em regime transiente. Conceitos - fixação

39 Consiste basicamente de uma câmara isolada que possui dutos de entrada e saída. O reator é caracterizado pelo volume do reator, tempo de residência ou fluxo mássico, transferência de calor ou temperatura do gás e também a temperatura de entrada e composição da mistura. Mistura altamente turbulenta de fluxo de entrada permanente produz uma distribuição espacial aproximadamente uniforme de conteúdo no interior do reator. Uma vez que o processo de mistura é infinitamente rápido, a conversão de reagentes em produtos é controlada somente pelas taxas de reações químicas

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41 Tempo de ignição Em muitos sistemas de combustão prática, ignição é simplesmente a forma de partida do sistema em busca do steady state: performance e emissões são independentes da ignição em tais sistemas (boilers, fornos e queimadores). Entretanto em outros problemas práticos, ignição tem grande influência na performance, emissões e outras características e a ignição pode explicar a performance do sistema completo.

42 Radicais e reações Reações de Iniciação geram radicais a partir de espécies estáveis, tal como a decomposição do propano: C3H8 CH3 + C2H5 (1) Reações de Propagação são aquelas que mantém o número de espécies radicalares, como: C2H6 + OH C2H5 + H20 (2), consume um OH e produz um radical etil Reações de Terminação reduz o número de radicais, como em uma recombinação: C2H5 + C2H5 C4H10 (3) A chave para se compreender a cinética de ignição está em identificar a reações de Ramificação nas condições de estudo. Nas reações de ramificação o número de radicais aumenta como: CH4 + O CH3 + OH (4), consome 1 atomo de O e produz 2 radicais

43 Ramificação x terminação Se as reações de ramificação que produzem radicais necessários para iniciar a combustão são lentas as reações de terminação dominam significando que a auto sustentação da combustão é impossível.

44 Em altas temperaturas a reação de Ramificação mais importante é que consome 1 atomo de H e produz 2 radicais, O e OH: H + 02 O + OH (5)

45 Exemplo 3 Vamos verificar a importância da reação H + 02 O + OH sobre a ignição do sistema.

46 arquivo de mecanismo reacional – chem.inp

47 arquivo de entrada – aurora.inp

48 Combustão H 2 /O 2 com reação H + 02 O + OH

49 Temperatura do sistema c/ H + 02 O + OH

50 Atente para O + OH = O2 + H

51 Temp versus tempo

52 CH 4 versus H 2 Quem vc acha que ignita mais rápido H 2 ou CH 4, para as mesmas condições iniciais? Verifique considerando sistema PSR Tran para ambos nas mesmas condições.

53 CH4 não ignita...!!

54 Mecanismo reduzido

55 ChemKin- Aurora (WSR)

56 Chemkin - Estrutura

57 Aurora - Estrutura

58 Informações de entrada utilizam formato palavra- chave. Cada linha com uma palavra chave identificada. Algumas palavras chaves são auto suficientes enquanto outras necessitam de informação adicional Muitas palavras chaves possuem condições default associadas. Chemkin - Dicas

59 Precisamos especificar dois arquivos de entrada e a localização do thermodynamic database file. O primeiro arquivo (chem.inp) contém a descrição química que é a entrada do CHEMKIN Gas-phase Interpreter. O segundo arquivo (aurora.inp) é o arquivo de entrada do aplicativo AURORA, o qual deverá conter a palavras chaves para descrever o cálculo desejado. As palavras chaves de entrada são baseadas no diagnóstico de saída desejado. Aurora

60 Aurora – Passo 1 – Definição do tipo de solução Transiente? Permanente? TRAN – Cálculo transiente STST – Cálculo steady state

61 Aurora – Passo 2 – definição da temperatura temperatura inserida? TGIV – temperatura no reator fixada pelo usuário. Composição determinada pela combinação P,T. temperatura calculada pela equação da energia? ENRG – resolve a equação da energia. Determina a composição e temperatura para uma determinada Pressão.

62 Aurora – Passo 3 – condições no reator TEMP – temperatura (K) dependendo do problema é fornecida pelo usuário (TGIV) ou temperatura para estimar a solução (ENRG). Nas soluções transientes representa a temperatura inicial do reator. Exemplo TEMP 1000 PRES – Pressão no reator (em atm) para problema onde P é constante, ou pressão inicial onde P varia (transiente). Exemplo PRES 1.0 TAU – Tempo de residência (s). Aplicável somente para solução em regime permanente Exemplo TAU 1.E-3 1

63 FLRT – Vazão mássica (g/s). Aplicável somente para sistemas abertos. Se não for colocado é assumido sistema fechado. Exemplo FLRT SCCM - Vazão volumétrica (cm 3 /s) nas condições padrão, T= 298,15 K e P = 1atm Exemplo SCCM 200 VOL – Volume do reator (cm 3 ) Exemplo V 1200 QLOS – Calor trocado através da parede do reator (cal/s) Exemplo QLOS Material especificado para material 1 e reator 1. Aurora – Passo 3 – condições no reator

64 TINL – temperatura (K) dos reagentes para problemas ENRG e sistema aberto. Exemplo TINL 400 Definição da composição ou entrada: 1 modo: fração molar para cada reagente Exemplo REAC C2H4 0,3 (comando / regente / fração molar) 2 modo: definir quem é combustível, oxidante, produtos de combustão e razão de equivalência FUEL – define a fração molar de cada componente do combustível OXID – define a fração molar de cada componente do oxidante PROD – define quem são os produtos EQUI – de fine a razão de equivalência comb/oxid Exemplo: combustão completa do CH 4 com ar EQUI 1.0 FUEL CH4 1.0 OXID O OXID N PROD CO2 PROD H2O PROD N2 Aurora – Passo 4 – condições de entrada

65 Aurora – reatores em série NPSR – Define o número de reatores em série. Na linha de cada comando deve se especificar a que reator ele se aplica. Ex: NPSR 2 ENRG 1 ! reator 1 com solução da equação de energia TGIV ! temperatura fixada para reator 2 VOL ! volume reator 1 VOL ! volume reator 2 PRES ! pressão reator 1 PRES ! pressão reator 2

66 Aurora – CTNL - continuação CTNL – comando indicando que o problema continua após o comando END ENRG PRES 1.0 CNTN END PRES 2.0 (resolve o mesmo problema mas com pressão igual a 2) END

67 Aurora – controle de tempo nas soluções transientes TIME – tempo total para simulação transiente (s) Exemplo TIME 1.0E-2 DELT – intervalo de tempo para apresentação de resultados Exemplo DELT 1.0E-4 (note que o número de pontos será TIME/DELT) DTST – intervalo de tempo para apresentação de resultados no arquivo binário de solução. Exemplo DTST 2.0E-4 (note que o número de pontos será TIME/DELT)

68 Aurora – Perfil com o tempo TPRO – perfil de temperatura no reator com o tempo Exemplo: 1.0E E-4 tempo em que a temperatura no reator se encontra a 1000K 1000 = T=1000K 1 = número do reator a que se refere PPRO – perfil de pressão no tempo VPRO – perfil de volume no tempo QPRO – perfil de calor trocado através do reator

69 Aurora – comando de saída PRNT – Controle de impressão. PRNT 0 imprime na saída somente a solução. PRNT 1 fornece resumo sobre os passos de interação. PRNT 2 inclui impressão de cada estágio da interação e procedimento de tempo. Muitas vezes útil no diagnóstico de problemas e tentativas de ajustes de parâmetros de entrada. Default: 1

70 Pós Processador O CHEMKIN possui um pós processador gráfico o qual fornece rápida visualização dos resultados obtidos. O pós processador pode ser usado para exportar dados obtidos na solução delimitados por comma-, tab-, ou space- delimited para análise adicional com qualquer outro software.

71 CONV – solução transiente para volume cte. Calcula P, T e composição ao longo do tempo. COTV – solução transiente para T e V ctes. ICEN – Solução transiente para motor combustão interna. A solução obtida como volume em função do tempo, sendo esta relação obtida em função de parâmetros do motor (CMPR, VOLC, RPM e LOLR). CMPR – razão de compressão, VOLC – volume do cilindro, RPM – rotações por minuto, LOLR – razão entre o comprimento da biela e o raio da manivela. Aurora – sistemas fechados - opções

72 cms.llnl.gov/combustion/combustion2.html#H2_2004

73 Mecanismos

74 Parâmetros cinéticos

75 Chemkin - Exemplo

76 cms.llnl.gov/combustion/combustion2.html

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