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.

Combustão : 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.

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

taxa – definição intuitiva

conversão – definição intuitiva

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.

Batelada x Contínuo Freqüentemente, a decisão para selecionar um modo de processamento batelada ou contínuo, envolve a determinação da contribuição relativa das despesas de capital e despesas operacionais para o custo total do processo para o nível de capacidade proposto. O que é melhor para um país altamente industrializado, com custos mais altos de mão-de-obra, não necessariamente é o melhor para um país menos desenvolvido.

No reator batelada simples, as variáveis como temperatura e concentração não variam com a posição dentro do reator, mas variam com o tempo. O reator tanque agitado, pode também ser operado de forma semibatelada. Neste modo, o tanque é parcialmente preenchido com reagente(s) e reagente(s) adicionais são adicionados progressivamente até a composição desejada ser atingida. Alternativamente, pode-se carregar todos os reagentes de uma única vez e continuamente remover os produtos quando eles vão sendo formados. Dentro do reator tanque continuamente agitado (CSTR), o reator tanque é continuamente suprido com a alimentação ao mesmo tempo em que igual volume é descarregado de forma a manter constante o nível dentro do tanque. A composição da corrente efluente é idêntica aquela que permanece dentro do tanque.

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

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.

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

Plug Flow – Balanço de massa

Plug Flow – balanço de massa

CSTR x PFR

Plug Flow Quando o fluido se move através de um tubo ou canal largo com Reynolds suficientemente largo, se aproxima de um plug flow, o que significa que não existe variação da velocidade axial sobre a seção transversal, ou seja não existe nenhum gradiente de concentração ou temperatura na coordenada radial.

Processo exemplo-

Processo exemplo (cont)

PFR - Variação axial nas propriedades do fluxo (p, T, Yi, etc.) Nenhuma variação radial

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. Pode-se usar tanto no caso onde o tubo é empacotado com um catalisador sólido e no caso onde a fase fluida sozinha está presente.

PFR - tipos A maioria dos reatores tubulares são classificados em três principais categorias: 1. tubo simples 2. trocadores de calor casco-tubo 3. fornos tubulares, onde os tubos são expostos à radiação térmica e transferência de calor a partir de gases de combustão. O tubo simples é utilizado quando não se necessita de eficiente troca térmica e os trocadores casco-tubo ao contrário, podendo a reação ocorrer tanto dentro do tubo, quanto fora, no casco. Os fornos tubulares são utilizados somente para reações endotérmicas.

Comandos – dimensões do reator DIAM XEND XSTR

Comandos – tipo de reator ADIA HEAT ISO QFIX TFIX

Comandos – parâmetros do processo BIGU BULK MASS MOLE PRES REAC SURF TEMP TINF VDOT VEL VIS

Comandos – parâmetros das soluções ACHG ATOL DX END NNEG PSV RCHG RTOL SIZE TSTP

Experimentos são conduzidos em um reator tipo Tubular na determinação da oxidação do n-heptano.Nestes experimentos N2 entra com velocidade de 25 cm/s aquecido com temperatura inicial de 800 K. Dentro deste fluxo aquecido de N2, uma mistura vaporizada estequiométrica de nC7H16 e O2 é injetada. A fração molar do combustível é de 800 ppm. O diâmetro do reator é de 10 cm e o comprimento 100 cm. Para uma temperatura inicial de 800 K, plote T, C7H16, CO2, CO, H2O, CH2O, C2H6, C2H4 e C2H2 vs distância no fluxo do reator. c) Repita calculos para f=1.5 e f=0.5. Mantenha a fração molar inicial de combustível igual a 800 ppm. Utilize o mecanismo reduzido de Pitz para n-heptano Varie a Temperatura inicial para 850, 1000 e 1200 K.

Problema Experimentos são conduzidos em um reator tipo Tubular na determinação da oxidação etanol. A mistura estequiométrica entra com velocidade de 25 cm/s aquecido com temperatura inicial de 800 K. O diâmetro do reator é de 10 cm e o comprimento 100 cm. Para uma temperatura inicial de 800 K, plote T, C7H16, CO2, CO, H2O, CH2O, C2H6, C2H4 e C2H2 vs distância no fluxo do reator.

Problema 3 - Examine o plug flow para CO/H2/O2/N2 CO/H2 (10:1) tempo de residência – diminui com a velocidade