Simulação de Escoamentos Reativos

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

1 Simulação de Escoamentos Reativos
AC 290 Cristiane Martins

2 Revendo conceitos – responda rápido
Quais são as duas forças controladoras em qualquer reação química? Para verificar a ocorrência favorável ou não, qual parâmetro devo utilizar? Se favorável, posso afirmar que esta reação ocorre com certeza? Se não, quais fatores devem ser avaliados?

3 Revendo conceitos (cont)
Quem são em qualquer reação química os “comandantes’’??

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

5 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.

6 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

7 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

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

9 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.

10 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.

11 Chemkin – Pacotes

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

13 Em sistemas que estão uniformemente misturados, gradientes espaciais podem ser ignorados,e combustão ocorre de forma espacialmente uniforme. Tais sistemas podem variar com o tempo, a menos que estejam em equilíbrio, caso no qual não variam de forma alguma. O equipamento que conduz uma reação a um processo espacialmente uniforme é chamado reator contínuo bem misturado (continuous stirred-tank reactor). Consiste de um sistema com fluxo de entrada e saída, como o esboço acima. Parâmetros tais como temperatura e composição dos reagentes na entrada, taxa de saída, e taxa de perda de calor para as paredes e pressão podem ser controlados.

14 No interior do modelo reator bem misturado, reagentes são deliberadamente misturados ou resultado do movimento turbulento encontrado pela entrada dos reagentes. A mesma temperatura e composição encontrada no interior do reator flui para a saída. Se esta operando em regime steady state, permanente, o conteúdo do reator reage uniformemente a temperatura e pressão uniformes, com todo o processo em equilíbrio. Tal tipo de equipamento fornece um meio simples de examinar processos reacionais em regime permanente ou dependentes do tempo.

15 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.

16 Mistura dos reagentes Geralmente dividimos sistemas de combustão em 2 tipos baseados na mistura de oxidante e combustível - reações químicas somente ocorrem somente se o combustível (ou radicais de cada) colidirem Premistura x sem pré – mistura Se combustível e oxidante já estão molecularmente misturados antes de entrar na zona de combustão ou combustor Realidade geralmente está entre os dois casos – (parcialmente pré misturado)

17 Chama sem pré-mistura

18 Chama sem pré-mistura x premisturada
Exemplo queimador de jato de gás natural com excitação acústica. Filme

19 Pré-mistura Se combustível e oxidante são misturados 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.

20 Esquema experimental - premistura
Dynamics of Lean Premixed Systems: Measurements for Large Eddy Simulation D. Galley 1,2, A. Pubill Melsió 2, S. Ducruix 2, F. Lacas 2 and D. Veynante 2 Y. Sommerer 3 and T. Poinsot 3

21 A natureza de uma chama premisturada planar
A natureza de uma chama premisturada planar. Reagentes entram pela esquerda a uma velocidade de propagação S e produtos partem na direita em alta velocidade devido a expansão térmica. Para baixo número de Mach a variação na pressão é muito pequena.

22 Onda plana?? Este parâmetro físico-químico básico tem significado restrito ao contexto de uma chama planar de fluxo uni-dimensional, onde é definida como a velocidade relativa entre gases frios e a frente de chama. Chama com velocidade de queima de 1 m/s se movimenta com 8 m/s (velocidade da chama) e o fluxo a frente da chama se move a 7 m/s.

23 Velocidade x razão de equivalência

24 A ilustração (esquerda) de variação típica na temperatura e fração mássica do combustível e oxidante, passando de não queimado para queimado em uma chama plana premisturada pobre com pouca perda de calor ao se propagar para esquerda. A figura a direita ilustra a forma como a velocidade da chama planar S varia com a razão de equivalência da mistura, entre os limites de flamabilidade pobre e rica, φl e φr .

25 Chama pré misturada

26 Frente de chama Várias espécies podem ser usados como indicadores da zona de reação em um processo de combustão. Entre estas esta o radical OH. A zona de reação (ou frente de chama) é a região onde a maior parte da energia química é liberada. Utilizando OH como indicador, podemos assumir que a região de 10% a 90% do máximo de OH ocorre. Experimento para determinação da concentração de OH na chama

27 Método de medida de frente de chama

28 Vflame – Vflow

29 Vflame – Vflow

30 Sob condições normais uma chama adiabática premistura plana se propaga com uma velocidade bem definida que depende da mistura combustível e sua razão de equivalência. Mesmo se existe alguma perda de calor, uma chama não adiabática premisturada pode ainda existir e se propagar, embora os produtos da queima, deixados para trás quando a chama passa, possam diferir de seus valores adiabáticos, a temperatura, em particular, poderia diminuir com a distância atrás da chama. Por outro lado, excessiva perda de calor poderá destruir qualquer chama premisturada tornando impossível sua ignição, ou na melhor hipótese torna seu comportamento transiente.

31 Quando uma chama premisturada plana se aproxima de qualquer ponto, uma onda de condução de calor e difusão aumenta a temperatura e remove combustível e oxidante proveniente da mistura a frente da chama. No interior da chama combustível e oxidante são consumidos pela química, na região de atividade química quente, deixando livre algum oxidante se a mistura está pobre, ou algum combustível sem queimar (ou outro gás com queima incompleta tal como monóxido de carbono) se a mistura está rica. Claro, que calor também é liberado pela química que sustenta a chama quando a chama esta se propagando.

32 No quadro de referência que se movimenta com a chama, a composição química e temperatura não variam com o tempo, aumentando com tipo de perfil para temperatura e concentração de combustível e oxidante mostrados na figura abaixo. Pode se notar que a origem da coordenada espacial x no esboço é arbitrária. A chama pode ser deslocada para a direita ou esquerda sem mudar sua estrutura ou propriedades.

33 Um modo típico no qual a velocidade de propagação S é através da variação da razão de equivalência φ é variada. A máxima velocidade de propagação ocorre próximo da estequiometria, φ = 1, e diminui quando a mistura torna-se pobre φ < 1 ou rica φ > 1, até que os valores de φ são aproximados (φl < 1 e φr > 1) a partir do qual a a chama não persiste. Estes valores limitantes de φ são conhecidos como limites de flamabilidade e uma chama premistura plana somente existe no range de flamabilidade, φl < φ < φr .

34 Sob condições atmosféricas, temperaturas de chama típica estão entre 1000 ◦K e 2500 ◦K, dependendo do tipo de combustível e da razão de equivalência da mistura. Velocidades de chama premisturadas S tipicamente variam de aproximadamente 0,25 a 1m/s . A espessura da chama premisturada varia proporcionalmente a S-1 , tendo espessura de aproximadamente 2 mm quando S ≈ 0,5 m/s. Diferentes temperaturas e pressões podem conduzir a variações substanciais na velocidade e espessura da chama.

35 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.

36 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.

37 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.

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

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

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

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

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

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

44 Premix calcula a temperatura e concentrações no regime permanente (steady state) em queimador com chama estabilizada e em chama laminar premisturada propagando livremente. O calor gerado ou absorvido pelas reações químicas afetam fortemente i fluxo do gás. No Premix, a cinética química é calculada a partir dos dados de entrda, então o sistema hidrodinâmico, governado pelas equações 1, 2 e 3 é resolvido na presença de reações químicas.

45 Exemplo 1 - Tem-se utilizado hidrogênio em baixa pressão com vários aditivos para estudo de vários aspectos da formação de NOx; Um dos tipos é chama de hidrogênio-oxigênio-argonio dopada com HCN. Esta configuração é interessante uma vez que todo o carbono e nitrogênio do sistema será proveniente do HCN. Inicialmente utilizamos uma chama de hidrogênio rica (sem aditivos). A fração molar dos reagentes são H2 0.28, O e Ar A pressão é de 25 Torr ( atm) e o fluxo mássico é de 4.63 x Perfil de temperatura experimental é utilizado.

46 Arquivo de entrada / flame configuration, burner stabilized with specified temperature BURN TGIV / in the event of a Newton failure, take 100 timesteps of 1.E-6 TIME E-6 / begin on a uniform mesh of 6 points NPTS 6 / definition of the computational interval XEND 10.0 XCEN 5.0 WMIX 10.0 / pressure and inlet mass flow rate PRES ! atmospheres FLRT 4.63E-3 ! g/cm**2-sec / adaptive mesh criteria GRAD 0.2 CURV 0.5 / unreacted mole fractions MOLE REAC O2 0.09 REAC AR .63 REAC H2 0.28

47 REAC H2 0.28 / estimated products PROD AR 0.68 PROD H2O 0.12 PROD H2 0.15 PROD OH 0.02 PROD O 0.02 PROD H 0.01 / estimated intermediate mole fractions INTM H2O INTM HO2 .001 INTM H2 .01 / tolerances for the Newton iteration ATOL 1.E-10 RTOL 1.E-4 / tolerances for the time step Newton iteration ATIM 1.E-5 RTIM 1.E-5 / print control PRNT 1 / given temperature profile TEMP TEMP TEMP TEMP TEMP TEMP TEMP TEMP TEMP TEMP TEMP TEMP TEMP END

48 Tarefas Rodem o caso exemplo. Caso não obtenham sucesso, procurem:
arquivo de mecanismo químico, arquivo tran e arquivo therm. Verifiquem se a entrada está compatível – arquivo chem com letras minúsculas exige arquivo de entrada, tran de therm idem. O mesmo vale para letras maiúsculas.

49 No problema exemplo variem:
1. XEND 20 – verifiquem resultados 2. coloquem linhas PROD e INTM como comentários, verifique resultado de velocidade.

50 Problema Para o mesmo exemplo anterior varie a pressão, 0.05, 0.07, 0.09, 0.11 e 0.13 atm Plote velocidade de queima x pressão

51 Plote a variação da velocidade de queima a pressão atmosférica, vazão de versus razão de equivalência para chama contendo a seguinte composição: H2 0.28, O e CH4 0.63,

52 Gás natural

53 Chama de acetileno – perfil de temperatura isotérmico
FLOW FIELD OF TURBULENT PREMIXED ACETYLENE FLAME UDC: Vukman V. Bakić, Simeon N. Oka “Vinča” Institute of Nuclear Sciences, Laboratory for Thermal Engineering and Energy P.O. Box 522, Belgrade, Yugoslavia