Simulação de Escoamentos Reativos

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

1 Simulação de Escoamentos Reativos
AC 290 Cristiane Martins

2 Descrição global do curso
Conceitos Básicos

3 Objetivo Central Explorar computacionalmente problemas clássicos de combustão Ferramentas – Softwares comerciais Programas considerando equilíbrio químico Programa envolvendo cinética

4 Modelagem matemática Modelagem matemática – habilidade de generalizar, extrair o que é comum em diversos problemas, e construir algoritmos efetivos para dar suporte na caracterização, análise e predição de problemas de engenharia. Modelos matemáticos conduzem a ‘’experimentos virtuais’’, os quais no mundo real poderiam ser muito caros, perigosos ou mesmo impossíveis.

5 Simulação numérica

6 Partida – reação química
Considerando uma reação química qualquer, por exemplo: ClNO2(g) + NO(g)  NO2 (g) + ClNo (g)

7 Questões envolvidas - é necessário energia para iniciá-la?
- esta reação ocorrerá? - se a mesma ocorrer a 400 K e 1 atm e variarmos a condição para 400K e 3 atm, pode-se afirmar que ainda ocorre? - quanto de energia esta reação liberará?

8 reação – é necessário energia para ser iniciada?
Em geral é necessário alguma energia inicial para que a reação se inicie, a partir da qual a reação poderá ou não se auto-sustentar (pela liberação de energia própria). Termodinâmica permite avaliar se a reação libera ou necessita de energia para ocorrer. H < 0  libera energia H < 0  necessário energia para sustentação

9 Esta reação ocorrerá? Precisamos avaliar: H e S
H < 0 e S > 0  favorável de ocorrer H > 0 e S > 0  H desfavorável, S favorável H < 0 e S < 0  H favorável, S desfavorável H > 0 e S < 0  não ocorre Caso uma das forças seja favorável e outra desfavorável é necessário calculo de G, G = H – T S G < 0  favorável de ocorrer G > 0  não ocorre

10 G < 0, ou seja reação favorável de ocorrer
G < 0, ou seja reação favorável de ocorrer. Pode-se afirmar que esta reação com certeza ocorrerá??

11 Quando uma reação ocorre?
Somente uma pequena fração de moléculas reagentes convertem reagentes em produto. Depende: Colisão adequada Energia que as moléculas possuem ao colidir

12 Reação ocorre se: 1. colisão favorável
ClNO2(g) + NO(g)  NO2(g) + ClNO(g) 1. colisão favorável

13 Reação ocorre 2. energia suficiente Nem todas as moléculas possuem
mesma energia cinética. Isto é importante porque a energia cinética que a molécula carrega quando colide é a principal fonte de energia para se iniciar a reação mesmo sistema, moléculas com energia diferente.

14 Conclusão - ClNO2(g) + NO(g)  NO2(g) + ClNO(g) Go = -23.6 kJ/mol
A energia livre padrão da reação acima nos diz que esta reação é favorável. Isto é suficiente para que a reação ocorra?? Antes que qualquer reação ocorra é necessário que a energia livre do sistema supere a energia de ativação para a reação e que a colisão ocorra de maneira adequada.

15 Conclusão (cont) Afora todas as colisões moleculares, somente aquelas com energia cinética superior a energia necessária para quebrar as ligações no interior da molécula irão resultar em reação. A é o fator pre-exponencial e Eact é a energia de ativação. Esses valores são provenientes de experimentos ou cálculo de mecânica estatística. A proporção destas colisões é dada por: exp(−Eact/R0T) (Teoria Cinética de Gases)

16 Considerando que a reação ocorra, quanto de energia será liberada e qual a máxima conversão possível?

17 Termodinâmica - Cálculos termodinâmicos permitem responder:
quanto de energia será liberada máxima conversão possível (G = 0) equilíbrio

18 Mas, termodinâmica não considera o fator TEMPO.
Termodinâmica = tempo infinito de reação, talvez melhor chamá-la termoestática Então, precisamos de uma ferramenta de avaliação temporal = cinética química.

19 Cinética - Centrada em identificar quais reações elementares são possíveis sob diferentes condições para várias espécies e descrever a taxa, ou seja, quão rapidamente estas reações ocorrem. Campo de estudo predominantemente empírico.

20 Cinética – quão rápida? taxa de reação
Todas as reações químicas ocorrem em uma taxa finita (lenta ou rápida) dependendo de parâmetros experimentais tais como composição, temperatura e pressão. A taxa de uma reação é a medida quantitativa do número de moles de produto produzido (ou reagente consumido) por unidade de tempo por unidade de volume. Taxa = [ em moles de espécies] / [t * volume].

21 Combustão – complexidade
Modelagem de processo de combustão?

22 Importante na modelagem – escalas de tempo
PASSO 1- Definição da escala de tempo – Antes de iniciar a simulação do seu escoamento você deverá ter noção ou definir quem é o fenômeno majoritário. tempo mecânico (mistura) x tempo químico

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24 Como saber? As vezes temos diferentes condições de escoamento em um único processo. Zona 2: Zona de mistura não – reativa & Região de combustível não-queimado Zone 1: Zona de recirculação plana & estabilização ppor vórtices Zona 3: ‘’Rabo’’ aximétrico

25 Mistura x reação química
Tem que se definir quem ‘manda’ taxa de reação ou taxa de mistura?

26 Chemkin representa ligação de análise matemática, métodos numéricos e desenvolvimento de software.

27 Chemkin - - mecanismo reacional (sempre)
- dados termodinâmicos (sempre) - arquivo de entrada (sempre) - dados de transporte (depende do aplicativo) - reações de superfície (depende)

28 Chemkin - Busca de dados
Mecanismo reacional / dados termodinâmicos/ dados de transporte/ comandos – Manual Sites:

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30 Chemkin - 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.

31 Chemkin x cinética Chemkin é um programa de cálculo de cinética química, faz uso dos modelos usuais utilizados: reator bem misturado reator empistonado (plug flow)

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

33 Reatores - princípio

34 Reatores - tipos Pequenos reatores (batelada) Operação isotérmicac
Grandes reatores (usual contínuo) Operação não-isotérmica Em reatores grandes em geral é difícil a remoção de calor gerado pela reação. Muito mais simples impedir que calor entre ou saia do sistema (processo adiabático) Calor gerado ~ V ~ tamanho3 Calor removido ~ A ~ tamanho2 Quando maior o reator maior a relação V/A, tornando mais difícil remover calor gerado.

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

36 Reator Tubular Ideal (PFR)
É aquele no qual elementos de fluido reagentes (plugs) movem-se através de um tubo, como plugs movendo paralelo ao eixo do tubo. Este modelo de fluxo é referido como plug flow ou fluxo empistonado. O perfil de velocidade em uma dada seção transversal é achatado e assume-se que não existe difusão axial ou mistura de elementos de fluido. As variáveis como temperatura e composição variam com a posição ao longo do comprimento do reator.

37 PFR – Plug Flow Reactor Fluxo de entrada e saída iguais
Sem mistura longitudinal Somente mistura radial Fluxo é uniforme em todos os pontos

38 Plug Flow Em geral o modelo de reator plug-flow é utilizado para obtermos estimativas acerca do comportamento dos gases de escoamentos reativos a partir da zona primária de uma câmara de combustão.Diferentemente da zona primária, que é modelada tipicamente por um WSR (reator de mistura Homogênea), as zonas secundária e terciárias são modeladas segundo os preceitos do reator plug flow.

39 PFR O reator tubular é assim chamado devido a sua configuração física, tal que a reação ocorre dentro de um tubo ou comprimento de tubo. Reações químicas ocorrem durante o tempo de fluxo dos gases reagentes desde a entrada até a saída. Transporte de massa e energia ocorrem através dos processos de convecção e difusão.

40 Reator CSTR (bem misturado)

41 Qs = Fluxo para o lago (m3/d)
Cs = Concentração do contaminante no fluxo (g/m3) Qw = fluxo no lago proveniente de efluente(m3/d) Cw = Concentração do contaminante proveniente do efluente (g/m3) C = Concentração do contaminante no lago (g/m3) V = Volume do lago (m3)

42 Reator Plug Flow

43 Caso exemplo -

44 Difusão - Conceito A. Difusão Química (DC)
B. Dispersão Hidrodinâmica (DH) C. Dispersão Total D = DH + DC

45 Precisamos decidir se o modelo plug flow ou bem misturado é mais apropriado para cada seção. O número utilizado para esta análise é o número de Peclet.

46 Número de Peclet - Definição

47 Número de Peclet Pe << 1 – mistura completa na direção considerada Pe ~ 1 – mistura incompleta na direção considerada Pe >> 1 – sem mistura na direção considerada

48 Lembre-se que tanto para o modelo plug flow quanto para o bem misturado assumimos que o fluido está completamente misturado nas direções perpendiculares ao fluxo. Então para ambos os modelos queremos Pe << 1 para as direções perpendiculares ao fluxo. A diferença está na direção do fluxo. No modelo plug flow, assumimos que não existe mistura na direção do fluxo (Pe >>1); no modelo completamente misturado, assumimos mistura uniforme na direção do fluxo (Pe << 1).

49 CSTR e PFR – modelos de reatores

50 CSTR (zona primária) + PFR (próximas)

51 Chemkin – Pacotes

52 O que é uma chama? Mistura luminosa de gases quentes sofrendo combustão. É composta por inúmeras reações químicas. A luz vem da fluorescência de moléculas ou íons excitados ou da incandescência de inúmeras partículas sólidas.

53 Propagação da chama? Propagação da chama é explicada por duas teorias: condução de calor e difusão. Na condução de calor, calor flui da frente de chama, a área na chama onde a reação ocorre, para o cone interno, a área contendo a mistura não queimada de combustível e ar. Quando a mistura não queimada é aquecida a temperatura de ignição, ela queima na frente de chama, e calor proveniente desta reação novamente flui para o cone interno, assim forma um ciclo que se auto propaga. Na difusão, um ciclo similar inicia quando moléculas reagentes produzidas na frente de chama difundem para o cone interno e ignitam a mistura. Uma mistura pode sustentar uma chama somente acima de mínimo e abaixo de um máximo de porcentagem de gás combustível..

54 Tipos de chama Premisturada Difusão
Ambas podem ser Laminar ou Turbulentas

55 Premisturadas Mistura antes da combustão Caracteristicas
Reação Rápida Pressão Constante Propaga como zona fina Ex: Motor OTTO Temp Intensity

56 Difusão Mistura durante Combustão Carateristicas Ex:Motor Diesel
Reação ocorre na interface Combustível/Air Controlada pela mistura de reagentes Ex:Motor Diesel

57 Laminar Premistura Difusão Tipo mais simples Ex: Queimador Bunsen
Ex: Vela

58 Turbulenta Premisturada Difusão
Libera calor mais rápido do que laminar Difusão

59 Por que é importante estudar as características de uma chama?
Por segurança, para evitar dano aos operadores e equipamentos como explosões de fornos. Distância de apagamento, ‘quenching distance’.

60 Quenching Distance - Detentores de chama foram introduzidos pelo trabalho pioneiro de Sir Humphrey Davy em 1814, que estudou experimentalmente o problema de prevenir explosões em minas ignitados pelas lâmpadas de mineradores. Mineradores utilizavam tubos, canais circulares concêntricos, e outros tipos para separar a chama do ambiente externo explosivo.

61 Quenching Distance - cont
Os trabalhos experimentais de Sir Davy indicaram que as chamas podem ser estancadas quando elas encontram pequenas fechamentos ou aberturas. Isto conduziu ao conceito de distância de apagamento, quenching distance, parâmetro definido primeiramente por Holm, 1932. Subsequentemente, inúmeros investigações experimentais geraram dados da distância de apagamento de uma extensa variedade de misturas combustíveis.

62 Quenching Distance - visualização
Um peneira fina previne a propagação da chama através dela, tal que se o jato premisturado é ignitado de um lado da peneira, a chama não pode atravessar para outro lado.

63 Combustíveis - Características
Combustível LFL Mistura estequiométrica UFL Miníma distância quenching [mm] Temperatura de autoignição [K] CO 14 29.5 70 900 H2, hidrogênio 3.9 75 0.61 850 CH4, metano 4.9 9.47 2.0 C2H6, etano 3.0 5.64 13 1.8 800 C3H8, propano 4.02 9.5 750 C4H10, n-butano 1.5 3.13 8.5 700 C8H18, n-octano 1.0 1.65 6 500 C8H18, iso-octano 0.95 690 C10H22, n-decano 0.80 1.34 5.4 2.1 480 C2H2, acetileno 2.5 7.75 80 2.3 600 CH4O, metanol 6.7 12.3 36 680 C2H6O, etanol 3.3 6.54 19 630 C4H10O, eter 37 640

64 Chama premisturada - perfil
Importante manter em mente que os produtos deixam a chama num ritmo mais rápido do que a velocidade de deflagração, devido ao efeito da expansão térmica. Assim uma típica velocidade de chama de 0.4 m/s em direção aos reagentes (gases frescos), os produtos são ejetados a algo como 2.5 m/s para o outro lado.

65 Chama premisturada – perfil (cont)

66 Pré-mistura Se combustível e oxidante são misturados juntos a baixa temperatura, a taxa de reação é negligenciavelmente lenta. Entretanto se calor suficiente é adicionado em qualquer ponto a temperatura pode aumentar a nível em que a reação química se inicia. O resultado é muitas vezes uma onda de atividade química, uma chama pré-misturada, se propaga através da mistura resultando em produtos e calor.

67 Chama prémisturada - Processo de combustão característico em três estágios • Ignição e desenvolvimento da chama 0-5% de massa queimada • Propagação da chama 5-95% de massa queimada • Terminação da chama 95-100% de massa queimada

68 Chama - estágios Propagação e extinção de mistura propano-ar com concentração de 3.75% C3H8. Study Of Laminar Flame Quenching In A Rotating Cylindrical Vessel JOZEF JAROSINSKI*, and ANDRZEJ GORCZAKOWSKI Department of Heat Technology and Refrigeration, Technical University of Lodz Stefanowskiego 1/15, Lodz, Poland.

69 Premix – Pacote PREMIX calcula perfil de temperatura e espécies em regime permanente em chamas premisturadas laminares. PREMIX pode também ser utilizado para determinar velocidades de chamas laminares, parâmetro importante no estudo de flamabilidade.

70 Premix – Pacote (cont) Este modelo é capaz de prever o perfil de temperatura e composição em duas configurações de chamas premisturas laminares: 1 – análise de uma chama obtida com queimador estabilizado com fluxo mássico conhecido – perfil de temperatura conhecido ou outro no qual o perfil é determinado pela equação de conservação de energia. 2. – a segunda configuração considera chama se propagando livremente. Esta configuração é utilizada para determinar a velocidade característica da mistura reativa para uma determinada pressão e temperatura de entrada. Neste caso não existem perdas de calor (por definição) e assim temperaturas podem ser calculadas a partir da equação de energia.

71 OPPDIF– configurações possíveis
Quando os fluxos são bem misturados, existirão duas chamas bem misturadas, uma em cada lado do plano de estagnação. Para configuração combustível de um lado e oxidante de outro, se estabelece uma chama difusiva.

72 OPPDIF O conceito de OPPDIF é simples. Fluxo de combustível e oxidante são direcionados um contra o outro criando um plano de estagnação em algum lugar entre estes dois fluxos. Em muitos casos moléculas de combustível difundem através do plano de estagnação e criam uma chama difusiva do lado do oxidante. A fim de simular chamas premisturadas, um par de chamas premisturadas são colocadas em cada lado dos fluxos.

73 OPPDIF (cont) O fluxo que deixa cada bocal está livre de divergência, ou seja, a componente radial da velocidade no bocal é igual a zero.

74 Contra fluxo – duas chamas premisturadas

75 Plano de estagnação e chama (cont.)

76 Radicais de ramificação -
Os picos de radicais de ramificação, O, OH e H estão do lado do oxidante

77 Uma chama de contrafluxo pode ser caracterizada em termos de taxa de estiramento (strain rate), o máximo gradiente de velocidade no lado da chama. Extinção acontece quando fluxo de ar e combustível são tais que gradiente da velocidade excede um valor crítico, denominado ‘extinction strain rate’.

78 OPPDIF – linhas de corrente
Entretanto como pode ser visto, as linhas de corrente não são perpendiculares a frente de chama: estas chamas são necessariamente estiradas devido ao fluxo estirado que necessita fluir para o lado. Ajuste da distância entre os bocais de saída permite que o strain rate seja controlado. Uma distância longa entre os bocais conduzirá a larga distância entre as frentes de chamas, tendo como consequência menor taxa de estiramento.

79 Strain Rate – taxa de estiramento
onde L = distância entre os bocais, 1 e 2, V1 e V2 as densidades e velocidades dos respectivos gases.

80 Fração de mistura - conceito
Chama difusão fuel/air Chama difusiva – enriquecida com oxigênio Sistema com múltiplas entradas de combustível 60% CH4 40% CO f = 1 21% O2 79% N2 f = 0 35% O2 65% N2 f = 0 60% CH4 40% CO f = 1 35% O2 65% N2 f = 0 60% CH4 20% CO 10% C3H8 10% CO2 f = 1 21% O2 79% N2 f = 0 60% CH4 20% CO 10% C3H8 10% CO2 f = 1

81 Fração de mistura - gráfico
fração de mistura pode ser entendida como o grau de mistura entre combustível e ar, sendo f = 0 no oxidante puro e f = 1 no combustível puro. Combustão irá ocorrer em uma fina camada na vizinhança de uma superfície onde a fração de mistura é igual a fração de mistura estequiométrica fst.

82 Escoamentos Reativos - Exemplos
MOTOR A PISTÃO

83 REAÇÕES BÁSICAS. C + O2 + N2 ----> CO2 + N2 H + O2 + N > H2O + N2

84 Escoamentos Reativos – Exemplos Turbina a gás
Turbina a gás (mostrada ao lado) tem um compressor para puxar e comprimir o gás (usualmente ar); um combustor (ou queimador) para adicionar calor ao ar pressurizado; e uma turbina para extrair energia proveniente do gás aquecido. A turbina a gás é uma máquina de combustão interna que utiliza processo de combustão contínua. Isto difere do motor a pistão onde a combustão é intermitente. Figura 1: Diagrama esquemático A) motor a jato aeronáutico; B) uma turbina a gás (para uso em terra)

85 Escoamentos Reativos – Exemplos Turbina a gás

86 Exame – data : 06/07/06 Francisco – Modelo de solução Twopoint
Márcio – PASR Rogério – SURFTHERM Said – CRESLAF Tiago Rolim – SHOCK-

87 Choque em aeronave transônica
Problemas envolvendo choque também podem ser simulados. Atenção deve ser dada a suas limitações.