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Simulação de Escoamentos Reativos
AC 290 Cristiane Martins
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Modelagem cinética química é importante nos projetos de queimadores industriais, turbinas a gás, foguetes. Seja para prever desempenho seja para emissões.
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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.
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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).
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Curva f(T) Dependência da taxa de reação na temperatura para sistema adiabático
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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.
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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
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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)
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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.
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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
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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
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Cinética: reator bem misturado
Atente para concentração de CO2 em tempo menor do que 0.008s
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Reator O reator químico é o coração de qualquer processo. A performance do reator controla economicamente a maioria dos processos.
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Reator químico - exemplo
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Reator catalítico
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taxa – definição intuitiva
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conversão – definição intuitiva
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Reator - esquema
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Reator contínuo
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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
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Combustão Reatores contínuos ou batelada??
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ChemKin- Aurora (WSR)
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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.
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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.
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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.
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Reator bem misturado Reagentes a T0 são alimentados no reator, qual a temperatura de state steady e qual a composição da saída?
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Qual é mais rápido? Reator 1: Volume é mantido cte (pressão varia)
Reator 2: Pressão mantida constante (volume do reator varia)
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volume cte x pressão cte
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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.
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Processo a P cte – energia gasta no aumento do volume
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Pcte = expansão = trabalho
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Considerações Iniciais -
Quais arquivos preciso para utilizar Chemkin? Como utilizar Pós Processador?
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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.
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arquivo – chem.inp
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arquivo – aurora.inp
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arquivo therm.dat
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Exemplo de arquivo de entrada do aplicativo aurora
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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.
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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
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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
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Time 1.0 e -4
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TIME 2.e-5
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TIME 5.e-5
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TIME 8.0 e-5
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TIME 7.0 e -5
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TIME 1.0 e-4 e TIME 2.0E-4
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TIME 3.0 e-4
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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.
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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.
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arquivo de mecanismo
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arquivo dados termodinâmicos
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arquivo de entrada
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arquivo de entrada (cont)
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Post-processing CO e CO2 versus tempo de residência
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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.
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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.
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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
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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)
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Exemplo 3 Vamos verificar a importância da reação H + 02 O + OH (5)
sobre a ignição do sistema.
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arquivo de mecanismo reacional – chem.inp
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arquivo de entrada – aurora.inp
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Combustão H2/O2 com reação 5
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Temperatura do sistema com reação 5
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Atente para O + OH = O2 + H
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Temp versus tempo
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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.
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CH4 não ignita...!!
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Mecanismo reduzido
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ChemKin- Aurora (WSR)
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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.
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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.
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Aurora – Passo 1 – Definição do tipo de solução
Transiente? Permanente? TRAN – Cálculo transiente STST – Cálculo steady state
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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.
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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
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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.
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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
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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
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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)
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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)
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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
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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
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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.
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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.
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http://www cms.llnl.gov/combustion/combustion2.html#H2_2004
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Mecanismos
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Parâmetros cinéticos
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Chemkin - Exemplo
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