Simulação de Escoamentos Reativos

Apresentação em tema: "Simulação de Escoamentos Reativos"— Transcrição da apresentação:

1 Simulação de Escoamentos Reativos
AC 290 Cristiane Martins

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

3 geração x perdas Em qualquer sistema envolvendo combustão deve-se necessariamente avaliar a geração e perda de energia. Caso as perdas sejam superiores a capacidade de geração o sistema se extingue.

4 WSR (Well Stirred Reactor) - 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. Curva reta com inclinação 1/tres, ou seja, quanto menor tres mais brusca a subida. O termo a esquerda como termo de transferência de calor, que representa quanto de energia deixa o reator por unidade de tempo. Descrito por pelo formato f(T).

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

6 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.

7 termo de geração x termo de transferência
HT1 – muito baixo fluxo mássico, muito baixo tres - (1 interseção, S1) HT2 – baixo fluxo másssico, baixo tres. (3 interseções, S2, S3 e S4) HT3 – alto fluxo mássico, alto tres (baixa temperatura, interseção S4) HTcrit – refere-se a condição crítica

8 termo de geração x termo de transferência
HT1 – reator opera somente na condição S1, tempo suficiente para que a combustão se complete. HT2 – S4 – baixas temperaturas, taxas de reação muito pequenas 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. HTcrit – 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)

9 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 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.

10 Balanço Material - exemplo
CH4 + 2 (O N2)  CO2 + 2H2O N2 1 mol de CH4 produz no máximo 1 mol de CO2 fração molar CO2 = ??? 16 g g

11 Termodinâmica – máxima conversão
A termodinâmica através do equilíbrio químico nos diz que a máxima conversão possível: CH4  0,9 CO2 fração molar de CO2 igual a

12 Cinética: reator bem misturado
Atente para concentração de CO2 em tempo menor do que 0.008s

13 Reator O reator químico é o coração de qualquer processo. A performance do reator controla economicamente a maioria dos processos.

14 Reator químico - exemplo

15 Reator catalítico

16 taxa – definição intuitiva

17 conversão – definição intuitiva

18 Reator - esquema

19 Reator contínuo

20 Tipos de reatores Sem fluxo - Batelada Fluxo contínuo
consiste de um tanque onde os componentes são alimentados ou bombeados em determinada quantidade e então permanecem no tanque até que a reação se complete. Reagentes são continuamente alimentados no reator e produtos são continuamente removidos

21 Combustão Reatores contínuos ou batelada??

22 ChemKin- Aurora (WSR)

23 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.

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

25 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.

26 Reator bem misturado Reagentes a T0 são alimentados no reator, qual a temperatura de state steady e qual a composição da saída?

27 Qual é mais rápido? Reator 1: Volume é mantido cte (pressão varia)
Reator 2: Pressão mantida constante (volume do reator varia)

28 volume cte x pressão cte

29 Volume cte x Pressão cte
A reação é mais rápida a volume cte. A pressão cte o sistema gasta energia para aumentar de tamanho e esta perda resulta em menor temperatura e menores taxas comparadas com volume cte.

30 Processo a P cte – energia gasta no aumento do volume

31 Pcte = expansão = trabalho

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

33 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.

34 arquivo – chem.inp

35 arquivo – aurora.inp

36 arquivo therm.dat

37 Exemplo de arquivo de entrada do aplicativo aurora

38 Exercício 1 – aula passada
Investigue o efeito da temperatura de entrada na emissão de NOx e temperatura da chama em uma mistura CH4/ar na estequiometria.

39 Exercício 2 Simule uma reação de H2/ar, razão de equivalência 1.0, em um sistema fechado com volume (67.4 cm3) e temperatura (1000K) constantes. Varie o tempo de integração e observe. Qual a sua conclusão? a. TIME 1.0 e-2 b. TIME 1.0 e-3 c. TIME 1.0 e -4 d. TIME 2.0 e-4 e. TIME 1.0 e-5

40 Exercício 3 Simule uma reação de H2/ar, razão de equivalência 1.0, em um sistema fechado com volume (100 cm3) e temperatura (1000K) constantes. Fixe o tempo e varie o volume. TIME 1.0 e-4 a. VOL 200 c. VOL 300 d. VOL 400

41 Time 1.0 e -4

42 TIME 2.e-5

43 TIME 5.e-5

44 TIME 8.0 e-5

45 TIME 7.0 e -5

46 TIME 1.0 e-4 e TIME 2.0E-4

47 TIME 3.0 e-4

48 aumento do volume desloca a curva para a esquerda, maior conversão para mesma T Conclusão – quanto maior o volume mais rápida a liberação de calor, será? para T alto a conversão tem seu pico máximo para T a conversão é muito baixa, porque a taxa é muito lenta para T média a conversão inicia o pico quando a reação gera calor.

49 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.

50 arquivo de mecanismo

51 arquivo dados termodinâmicos

52 arquivo de entrada

53 arquivo de entrada (cont)

54 Post-processing CO e CO2 versus tempo de residência

55 Conceitos - fixação 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.

56 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.

57 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

58 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)

59 Exemplo 3 Vamos verificar a importância da reação H + 02  O + OH (5)
sobre a ignição do sistema.

60 arquivo de mecanismo reacional – chem.inp

61 arquivo de entrada – aurora.inp

62 Combustão H2/O2 com reação 5

63 Temperatura do sistema com reação 5

64 Atente para O + OH = O2 + H

65 Temp versus tempo

66 CH4 versus H2 Quem vc acha que ignita mais rápido H2 ou CH4, para as mesmas condições iniciais? Verifique considerando sistema PSR Tran para ambos nas mesmas condições.

67 CH4 não ignita...!!

68 Mecanismo reduzido

69 ChemKin- Aurora (WSR)

70 Chemkin - Dicas 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.

71 Aurora 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.

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

73 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.

74 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

75 Aurora – Passo 3 – condições no reator
FLRT – Vazão mássica (g/s). Aplicável somente para sistemas abertos. Se não for colocado é assumido sistema fechado. Exemplo FLRT 0.013 SCCM - Vazão volumétrica (cm3/s) nas condições ‘padrão’, T= 298,15 K e P = 1atm Exemplo SCCM 200 VOL – Volume do reator (cm3) Exemplo V 1200 QLOS – Calor trocado através da parede do reator (cal/s) Exemplo QLOS Material1 50 1 especificado para material 1 e reator 1.

76 Aurora – Passo 4 – condições de entrada
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 CH4 com ar EQUI 1.0 FUEL CH4 1.0 OXID O OXID N PROD CO2 PROD H2O PROD N2

77 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

78 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)

79 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)

80 Aurora – Perfil com o tempo
TPRO – perfil de temperatura no reator com o tempo Exemplo: 1.0E 1.0E-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

81 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

82 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.

83 Aurora – sistemas fechados - opções
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.

84 http://www cms.llnl.gov/combustion/combustion2.html#H2_2004

85 Mecanismos

86 Parâmetros cinéticos

87 Chemkin - Exemplo

88