Simulação de Escoamentos Reativos AC 290 Cristiane Martins

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

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.

Balanço Material - exemplo CH4 + 2 (O2 + 3.76 N2)  CO2 + 2H2O + 7.52N2 1 mol de CH4 produz no máximo 1 mol de CO2 fração molar CO2 = ??? 0.09506 16 g 44g

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 0.08538

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

Combustão Fenômeno de combustão envolve interação entre Processos Químicos e Físicos. • Processos Químicos – auto sustentado pelas reações químicas entre combustível e oxidante. Processos físicos: Transporte de massa, momento e energia.

Combustão : termo de geração (química) x termo de transferência (físico) HT1, HT2, HT3, HTcrit são as retas referentes a transferência de calor Curva G refere-se ao termo de geração de calor.

Chemkin – Pacotes

WSR (zona primária) + PFR (próximas)

Qual o número admensional utilizado para se definir se o modelo melhor descrito é WSR (bem misturado) ou PFR (plug flow)??

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.

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..

Tipos de chama Premisturada Difusão Ambas podem ser Laminar ou Turbulentas

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

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

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

Turbulenta Premisturada Difusão Libera calor mais rápido do que laminar Difusão

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’.

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.

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.

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.

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

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.

Chama premisturada – perfil (cont)

Chama premisturada – perfil (cont)

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.

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

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 e-mail: jarosin@mail.p.lodz.pl Department of Heat Technology and Refrigeration, Technical University of Lodz Stefanowskiego 1/15, 90-924 Lodz, Poland.

Inibidores químicos de chamas - TMP O interesse no estudo da destruição de compostos químicos organofosfóricos (OPC) em chamas é estimulado por duas razões: 1. porque está conectado a compostos químicos perigosos em incineradores 2. porque possui habilidade de afetar o processo de combustão.

Chama dopada com TMP Investigue o efeito do aditivo TMP na estrutura de duas chamas com as seguintes composições: C3H8/O2/Ar: 0.025/0.136/0.839 (ϕ≈0.9) e 0.029/0.121/0.85 (ϕ≈1.2) http://www-cms.llnl.gov/combustion/combustion2.html

TMP – trimetil fosfato PO(OMe)3 Trimethyl phosphate [IUPAC/CAS (1)] http://homepage1.nifty.com/nomenclator/text/phosph.htm

Inibidores químicos de chamas - TMP Investigue o efeito do aditivo TMP na estrutura de duas chamas com as seguintes composições: C3H8/O2/Ar: 0.025/0.136/0.839 (ϕ≈0.9) e 0.029/0.121/0.85 (ϕ≈1.2) vazão volumétrica 1.5 slpm pressão atmosférica, Temp. reag. inicial 370-400K Perfil experimental para ϕ≈0.9

Perfil experimental para ϕ≈0.9

trimethylphosphate (TMP) Investigue o efeito do aditivo TMP na estrutura de duas chamas com as seguintes composições: C3H8/O2/Ar: 0.025/0.136/0.839 (ϕ≈0.9) e 0.029/0.121/0.85 (ϕ≈1.2) vazão volumétrica 1.5 slpm, pressão atmosférica e Temperatura dos reagentes entre 370-400K, trimethylphosphate (TMP) Perfil experimental para ϕ≈1.2

Perfil experimental para ϕ≈1.2

Chama dopada com DMMP

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.

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.

Deflagração - Deflagração propaga a velocidades subsônicas. A taxa de deflagração é controlada pela difusão de calor e espécies reativas proveniente da zona de reação (frente de chama) para material não queimado. Na prática a velocidade depende do grau de confinamento e do tamanho e forma da mistura inflamável. Assumindo que gás não queimado está parado, a chama se propaga com velocidade característica velocidade de queima laminar.

Premix - Comandos – definições da chama FLRT INTM PRES PRMN PROD REAC TEMP TFIX USTG XIMN

Premix - Comandos - grid APRO CDIF CURV GRAD GRID NADP NPTS NTOT SFLR WDIF WMIX XCEN XEND XSTR

Premix - Comandos – tipo de problema BURN ENRG FREE MASS MOLE QFUN TGIV TINF

Premix - Comandos – método da solução ATIM ATOL DFAC DTMN DTMX IRET ISTP NJAC RTIM RTOL TFAC TIM2 TIME

Premix - Comandos – transporte (opções) MULT TDIF TRCE VCOR

Premix - Comandos – diversos CNTN END GFAC NOFT PRNT SIZE SPOS