Exploração da dinâmica de fluidos para o projeto ideal para mistura de gás em um forno

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fundo

forno térmico padrão

Esse é o projeto padrão para um forno térmico usado no processo Clauss, que converte H 2 S em SO 2 . O principal problema com o forno é que a mistura de gás é bastante fraca e resulta em apenas uma taxa de conversão de 60%. Isso, por sua vez, aumenta os custos do equipamento a jusante para lidar com as impurezas. Um projeto que aprimora a mistura dos gases é muito procurado.

H 2 S e O 2 é alimentado separadamente no reactor. A reação de combustão inicia e aumenta a temperatura para cerca de 1400 ° C. O ponto de estrangulamento no centro do reator existe para forçar os gases a se misturar melhor em ambos os lados.

O que eu fiz até agora

Eu tenho uma modificação de projeto nos injetores que permitiu uma mistura muito maior, com inspiração nos injetores de combustível em veículos a motor.

injetores modificados

Não incluí o ponto de estrangulamento neste desenho. Isso foi feito apenas para testar a validade do conceito.

Os injetores de ângulo duplo fornecem velocidade horizontal e radial aos gases de entrada. Isso causa um efeito de turbilhão no fluido, melhorando a mistura em cerca de 60%. A mistura é aqui definida como a homogeneidade da distribuição do produto final.

As vantagens são duas: as partículas de gás precisam viajar mais devido ao turbilhão, aumentando o tempo que permanecem no reator. Assim, também é alcançada uma conversão maior ou, vista de uma perspectiva diferente, um reator menor é necessário para obter a mesma conversão que a unidade padrão, reduzindo drasticamente os custos.

A questão

Desejo explorar certos fenômenos da dinâmica de fluidos para melhorar a mistura. A formação de redemoinhos, por exemplo, é usada na seção de asfixia. O que mais pode ser feito para melhorar a mistura? Quais recursos podem ser adicionados / removidos?

PS: Explique o design proposto em palavras, sem necessidade de modelagem real.
Claro, isso me ajudaria a ver a idéia, mas não é necessário.

Tenho acesso ao Fluent no qual simulo esses projetos e os comparo com a unidade padrão.

Ainda estou ansioso para ver o que você pode criar.

22134484
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Este é um processo interessante, mas parece que você passa a maior parte da declaração do problema respondendo à pergunta, mostrando métodos para aumentar as taxas de mistura e conversão. Você deve postar seus métodos como resposta. Talvez alguém vença seus resultados - ou talvez não!
Air
Eu farei isso, obrigado. E eu realmente espero que alguém me bata! Existe uma maneira de atingir quase 100%, tenho certeza disso, só precisamos encontrá-la.
22134484

Respostas:

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Tanto quanto eu entendo sua pergunta, você está procurando uma maneira de difundir / misturar dois gases um no outro. O processo é muito difícil de simular "corretamente" devido às características das equações. No entanto, é pouco provável que você tenha uma mistura pior do que o previsto, porque os modelos geralmente subestimam os processos de mistura turbulentos. Seu maior problema pode ser a perda de pressão conectada à mistura turbulenta, dependendo da pressão operacional do seu sistema.

O bom da mistura é necessário em muitas aplicações. Talvez você possa ter algumas idéias:

A NASA investigou muitos processos de mistura por impacto em suas câmaras de combustão líquido-líquido: Nasamixing

A GE, Pratt e Rolls-Royce investigaram a maneira mais eficiente de misturar o desvio e o fluxo principal de seus motores a jato: insira a descrição da imagem aqui

E, finalmente, os fabricantes de turbinas a gás e estacionárias experimentaram muito para encontrar uma maneira (rápida) muito eficiente de misturar ar e combustível: insira a descrição da imagem aqui

Basicamente, a idéia por trás de todos os exemplos é aumentar a superfície dos dois fluidos. A nível molecular, a própria mistura / difusão só pode ser aumentada aumentando a temperatura. Assim, a uma dada temperatura, a mistura só pode ser aumentada aumentando a superfície de mistura e permitindo que o molecular aconteça em uma escala maior.

No entanto, camadas de cisalhamento e fluxos de turbilhão usados ​​no último exemplo são muito difíceis de simular porque os modelos de turbulência geralmente não capturam a física suficientemente bem.

Um breve resumo ou comentário à sua pergunta:

Desejo explorar certos fenômenos da dinâmica de fluidos para melhorar a mistura.

Existe apenas um fenômeno básico da mistura, que é a difusão. A fim de aumentar a mistura enquanto se tem uma difusão constante, é aumentando a área da superfície da mistura, que é feita de maneira mais eficiente por camadas de cisalhamento em turbilhão.

rul30
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Obrigado pela ótima resposta. Vou analisar essas idéias. Meus amigos e eu estávamos pensando: por que o design do forno não mudou tanto em quase 100 anos? A indústria aeroespacial e automotiva depende muito da mistura adequada; então, por que não transferir a tecnologia para processos químicos mais comuns?
22134484
A Fluent possui uma ampla variedade de modelos de turbulência. Qual, você diria, terá o melhor desempenho para esse problema específico?
22134484
Eu acho que, desde que você esteja resolvendo 2D de forma constante (o que eu entendo e apoio de um ponto de vista prático), você também pode usar um modelo mais simples como o SA. Eu acho que você não será capaz de prever um número real, mas pode comparar a mudança de mixagem (algo como a porcentagem de aumento da mixagem).
Rul30
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Resultados preliminares

Eu adicionei uma estrutura cônica antes do ponto de asfixia para separar o fluxo. Basicamente cortando o fluido. Este cone é anexado com 4 suportes. Essa configuração aumentou a mistura em uma quantidade ridícula. Consegui uma distribuição quase linear do produto. No entanto, não realizei análises estruturais ou de temperatura neste cone para validar se ele suporta ou não as temperaturas ou a carga aplicada a ele. Este cone foi adicionado à estrutura padrão. Uma análise mais aprofundada deve ser feita com o cone e injetores com ângulo duplo.

Uma parede sinusoidal foi adicionada ao forno para ajudar na formação de redemoinhos nos limites. Isso aumentou a linearidade da distribuição do produto, mas diminuiu a taxa de conversão, que eu não entendo no momento.

Para auxiliar no processo de modelagem, uma reação mais simples é usada. Benzeno e oxigênio são alimentados no reator a 600 Kelvin.

A legenda de todas as imagens a seguir varia de 0% (claro) a 100% (vermelho). Todos os cenários executados usaram exatamente as mesmas condições operacionais e o comprimento total dos reatores permaneceu constante.

A conversão resultante é a seguinte:

Padrão

A conversão média resultante na saída foi de 40,09%.

Com a adição da estrutura cônica, a conversão aumentou para 43,43% e tem a seguinte aparência:

Cone

Uma grande melhoria na conversão foi vista quando dois pontos de estrangulamento foram adicionados. A conversão encontrada: 78,46%. O que é quase o dobro em comparação com o reator padrão.

Double Choke

A próxima iteração envolveu a adição de recursos arredondados ao reator. Isso resultou em uma conversão final de 78,57%, o que não representa um grande aumento em nenhuma medida. Mas, isso pode ser feito de forma barata.

Filete de estrangulamento duplo

Dois cones foram adicionados ao projeto de estrangulamento duplo, para que a geometria do cone possa auxiliar na formação de redemoinhos nos compartimentos. O resultado foi o esperado e uma conversão de 85,35% foi encontrada.

Double Choke Double Cone

O design anterior foi modificado com arredondamento semelhante ao de um design anterior. Isso resultou em uma conversão de 86,71%

Filete de Cone Duplo com Choke Duplo

Esses experimentos mostram que há melhorias a serem feitas nesse projeto arcaico (literariamente, veio do início dos anos 90), explorando certo fenômeno.

Atualmente, estou no processo de pentear o estrangulamento duplo, o cone duplo e o design arredondado com os injetores dobrados em ângulo.

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@ Air: Obrigado pela edição e referência a outro post.
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Você poderia comentar um pouco sobre a simulação que você configurou? Código usado, modelo de turbulência, condições de contorno, (não-) estável, modelo de recolocação? Mas o mais importante é o 2D? Seus "cones" mostram separações do tipo karman. Isso só pode ocorrer em estruturas prismáticas.
Rul30
Sim, algumas informações sobre a configuração seriam boas aqui. Você afirmou na pergunta que o design original gera 60% de conversão. Você modelou esse resultado com sucesso? Se a metodologia de simulação não puder corresponder aos dados existentes, não será ótimo para projetar melhorias.
Dan
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A Instabilidade de von Karman (Strouhal) de um cilindro (ou, no seu caso) apresenta uma separação periódica do fluxo. A bolha de separação está "subindo" para cima e para baixo. Agora imagine um cone ou esfera: Desde o fluxo é agora axissimétrico a separação não pode virar para cima e para baixo (em casos especiais que não são relevantes para o seu oscilação axial aplicação pode ocorrer)
rul30
1
Cinética química detalhada pode não ser necessária aqui. Até onde eu sei, esse é um problema de combustão não pré-misturado, que geralmente pode ser modelado muito bem com uma química infinitamente rápida (a mistura é queimada). Isso reduziria bastante o custo computacional da computação da reação, liberando recursos para usar uma malha mais fina.
Dan
1

rul30 coloca da melhor maneira:

Basicamente, a idéia por trás de todos os exemplos é aumentar a superfície dos dois fluidos. A nível molecular, a própria mistura / difusão só pode ser aumentada aumentando a temperatura. Assim, a uma dada temperatura, a mistura só pode ser aumentada aumentando a superfície de mistura e permitindo que o molecular aconteça em uma escala maior.

Uma maneira de fazer isso são os misturadores estáticos . Um misturador estático é uma série de lâminas, normalmente helicoidais, inseridas em um tubo. As lâminas 'cortam' e giram o fluido para que diferentes elementos de volume entrem em contato.

No entanto, você não poderá modelar um em 2D. Existem diferentes tipos - Helicoidal:
Misturador helicoidal statix
X Elemento:
Misturador Statix ​​X Element
e outros.

Escolher o misturador certo é provavelmente uma ciência em si; à primeira vista, encontrei apenas artigos sobre o uso deles na produção de adesivos - esses misturadores são frequentemente usados ​​em aplicações de líquido e líquido e gás líquido. Esta página recomenda outro tipo para aplicação de gás-gás , um tipo de chapa ondulada . Misturadores estáticos para mistura de gás e gás também são usados ​​no tratamento de gases de escape; isso pode ser uma avenida de pesquisas adicionais.

Imagens: Schumacher Verfahrenstechnik

mart
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... outra avenida - descubra por que isso não é comumente feito dessa maneira.
Mar
Com tudo publicado aqui até agora, vimos uma conversão maior ou esperamos que eles sejam feitos pelo menos. Não faço ideia por que a indústria ainda usa o design antigo. Houve melhorias, sim. Mas principalmente para fornos EXISTENTES, limitando o que pode ser feito. Construir a partir do zero permite mais espaço para a melhoria do design. A maioria das melhorias comuns inclui injetores melhores, mas também são primitivos no design. Basicamente, dividir uma entrada em, digamos, 10 menores. É sobre isso.
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