Аналіз Процесу Горіння Синтез-газу в Кругло-Струйному Пальнику, Блог COMSOL
Аналіз Процесу Горіння Синтез-газу в Кругло-Струйному Пальнику
Bridget Cunningham 02/04/2015
У цьому пості ми досліджуємо процес горіння синтез-газу в круглоструменевому пальнику використовуючи інтерфейси Reacting Flow (Взаємодіючих Потоків) та Heat Transfer in Solids (Теплопередача в Твердих Тілах). Результати цієї контрольної моделі потім порівнюються з експериментальними даними.
Що таке Синтез-газ?
Найменування синтез-газ говорить про роль цієї паливної газової суміші — що складається в основному з водню, окису вуглецю та вуглекислого газу як проміжного продукту в процесі виробництва синтетичного природного газу. Крім цього, синтез-газ використовується також для виробництва інших продуктів, таких як метанол, аміак і навіть водень. Ідея, що лежить в основі цього процесу, відома як газифікація.
У газифікації, вихідна твердотільна сировина перетворюється на газ, який потім може використовуватися в багатьох додатків. Наприклад, газ може бути скраплений під тиском. Газифікація особливо цінна через її гнучкість при виборі вихідної сировини, якою може бути будь-що від вугілля до органічних матеріалів (біомаси). Крім того, цей підхід спрощує завдання уловлювання побічних продуктів реакції, таких як сірка або вуглекислий газ.
Тут ми промоделюємо процес горіння синтез-газу в круглоструменевому пальнику і порівняємо результати з експериментальними даними.
Турбулентне Горіння Синтез-газу в Кругло-Струйному Пальнику
У Моделі Горіння Синтез-газу в Кругло-Струйному Пальнику, пальник складається з прямої трубки (патрубка), що обдувається повільним потоком повітря. Суміш газу з окису вуглецю, водню та азоту подається через патрубок зі швидкістю впорскування 76 м/с (Кількість Маху M≈ 0.25). При цьому швидкість повітряного потоку, що обтікає патрубок, дорівнює 0.7 м/с.
Після вильоту з патрубка, паливно-газова суміш утворює в потоці повітрі нічим необмежуваний кругоподібний струмінь (з круговою симетрією). Турбулентний характер течії струменя гарантує ефективне перемішування двох газів та підтримує горіння на вихідному отворі патрубка. Це не згоряння готової суміші, так як паливо та окислювач надходять у зону реакції незалежно.
У цьому прикладі, ми моделюємо процес масопереносу у струмені, що взаємодіє, для шести хімічних фракцій — п'яти, що беруть участь в реакції, і азоту з навколишнього потоку. У прикладі, струмінь має число Рейнольдса близько 16700, що означає, що струмінь є повністю турбулентним. Через це ми можемо припустити, що турбулентність потоку значно впливає на процеси реакції та перемішування струменів.
k – \epsilon модель турбулентності використовується для врахування її впливу полі потоку. Для моделювання турбулентної взаємодії ми використовуємо модель вихрової дисипації, яка забезпечує простий, надійний спосіб моделювання таких реакцій. Через тепловиділення в процесі реакції спостерігається значне підвищення температури струменя – визначальної характеристики реакції горіння. Щоб точно передбачити температуру і хімічний склад, ми враховуємо як температурну залежність властивостей фракцій, і температурне зміна фізичних властивостей потоку.
Модель горіння синтез-газу включає високий рівень взаємодії між об'єднаним турбулентним потоком і процесами тепло- і масопереносу. Ретельний аналіз кроків розв'язання такого нелінійного завдання наведено у Колекції (Галереї) Моделей.
Результати Моделювання
Перший малюнок нижче показує розподіл поля швидкостей усередині струменя, відображаючи створення та розповсюдження гарячого вільного струменя. У зовнішніх частинах струменя, турбулентне перемішування повідомляє прискорення частини потоку, що обтікає, і привносить її в струмінь - процес, що позначається як захоплення. Цей перехідний шар проявляється у згинанні ліній струму обтікаючого потоку у напрямку до струменя, що випливає з відкритого патрубка.
Потім, ми можемо проаналізувати розподіл температури в струмені, використовуючи систему координат, що обертається для представлення моделі в тривимірному вигляді. Тут можна визначити максимальну температуру в області горіння, рівну приблизно 1960 K.
Наступний малюнок зображує розподіл густини вуглекислого газу в струмені. CO2 формується у зовнішньому зсувному шарі струменя відразу на виході з труби. У цьому зовнішньому зсувному шарі паливо вступає в реакцію з киснем з потоку, що обтікає, з турбулентним перемішуванням підтримує реакцію. Подібно до утворення CO2, збільшення температури, показане на попередньому графіку, також виникає поза трубою. Це означає відсутність дотику та відриву полум'я від труби.
Результати моделювання порівняно з експериментальними даними
Змістимо тепер фокус нашого обговорення у бік порівняння результатів моделювання з експериментальними даними. Наш аналіз розпочнеться з розподілу температури струменя вздовж центральної лінії (осі потоку), як показано на малюнку внизу ліворуч. На цьому графіку – і на всіх наступних – суцільна лінія представляє результати моделювання, а символи використовуютьсядля позначення експериментальних значень. Графік розподілу вздовж осьової лінії показує, що максимум температури, передбачений у моделі, близький до експериментальних результатів.
Можна помітити, що у модельних результатах профіль температури зрушений нижче у напрямі поширення. Ця різниця пояснюється тим, що в моделі не враховується випромінювання нагрітої області. Разом з тим, на малюнку праворуч порівнюються профілі температури вздовж горизонтального перерізу потоку на двох різних відстанях (20 та 50 діаметрів труби) від вихідного отвору труби. Знову ж таки є хороша відповідність між значеннями, отриманими при моделюванні, і аналогічними експериментальними даними.
При порівнянні аксіальної швидкості струменя з експериментальними даними можна помітити, що ці результати перебувають у чудовій відповідності для обох відстаней (20 і 50 діаметрів труби). Це представляється на наступному малюнку:
Нарешті, оцінимо концентрацію окремих хімічних фракцій вздовж осьової лінії струменя. У разі фракцій N2 та CO, осьовий розподіл концентрації дуже близький до експериментальних даних. H2O та H2 досить добре узгоджуються з експериментальними значеннями з невеликим зміщенням для H2O. Фракції CO2 і O2 показують схожу з експериментальними результатами залежність, але, як і у разі температури, профілі розподілу зсунуті вниз у напрямку поширення. Тут також, невідповідність може бути частково пов'язана звідсутністю розгляду у рамках моделі випромінювання від нагрітої області. Крім цього, спрощена схема реакції та модель вихрової дисипації також можуть впливати на точність обчислень.
