Wykorzystanie dynamiki płynów w celu optymalnego zaprojektowania mieszania gazów w piecu

12

tło

standardowy piec termiczny

Jest to standardowa konstrukcja pieca do termicznego stosowanego w procesie Clauss, który przekształca H 2 S, SO 2 . Główny problem z piecem polega na tym, że mieszanie gazu jest raczej słabe i powoduje jedynie 60% współczynnik konwersji. To z kolei zwiększa koszty urządzeń końcowych do obsługi zanieczyszczeń. Bardzo pożądany jest projekt poprawiający mieszanie gazów.

H 2 S i O 2 doprowadza się osobno do reaktora. Reakcja spalania rozpoczyna się i podnosi temperaturę do około 1400 ° C. Punkt dławiący w środku reaktora ma na celu wymuszenie lepszego mieszania się gazów po obu jego stronach.

Co zrobiłem do tej pory

Mam modyfikację konstrukcyjną wtryskiwaczy, która pozwoliła na znacznie lepsze mieszanie, z inspiracją zaczerpniętą z wtryskiwaczy paliwa w pojazdach silnikowych.

zmodyfikowane wtryskiwacze

Na tym rysunku nie uwzględniłem dławika. Zrobiono to jedynie w celu przetestowania poprawności koncepcji.

Wtryskiwacze o dwóch kątach zapewniają poziomą, a także promieniową prędkość gazów wlotowych. Powoduje to efekt zawirowania płynu, poprawiając mieszanie o około 60%. Mieszanie definiuje się tutaj jako jednorodność dystrybucji produktu wyjściowego.

Korzyści są dwojakie: cząstki gazu muszą przemieszczać się dalej z powodu wirowania, zwiększając czas pozostawania w reaktorze. W ten sposób osiąga się również większą konwersję lub patrząc z innej perspektywy, potrzebny jest mniejszy reaktor, aby osiągnąć taką samą konwersję jak standardowa jednostka, co radykalnie zmniejsza koszty.

Pytanie

Chciałbym wykorzystać pewne zjawiska dynamiki płynów, aby poprawić miksowanie. Na przykład formacja wirowa jest stosowana w sekcji zadławienia. Co jeszcze można zrobić, aby poprawić miksowanie? Jakie funkcje można dodawać / usuwać?

PS: Wyjaśnij proponowany projekt słowami, bez potrzeby rzeczywistego modelowania.
Oczywiście pomogłoby mi to zobaczyć ten pomysł, ale nie jest to konieczne.

Mam dostęp do Fluent, w którym symuluję te projekty i porównuję je ze standardową jednostką.

Wciąż chcę zobaczyć, co możesz wymyślić.

22134484
źródło
Jest to interesujący proces, ale wygląda na to, że większość problemu rozwiązujesz w odpowiedzi na pytanie, pokazując metody zwiększania współczynników mieszania i konwersji. Zamiast tego powinieneś opublikować swoje metody. Może ktoś pokona twoje wyniki - a może nie!
Air
Zrobię to, dziękuję. I naprawdę mam nadzieję, że ktoś mnie pokona! Jest sposób na osiągnięcie prawie 100%, jestem tego pewien, musimy go tylko znaleźć.
22134484

Odpowiedzi:

5

O ile rozumiem twoje pytanie, szukasz sposobu na rozproszenie / zmieszanie dwóch gazów ze sobą. Proces ten jest bardzo trudny do „poprawnej” symulacji ze względu na charakterystykę równań. Jest jednak mało prawdopodobne, aby mieszanie było gorsze niż przewidywano, ponieważ modele zwykle nie doceniają turbulentnych procesów mieszania. Twoim największym problemem może być strata ciśnienia związana z turbulentnym mieszaniem w zależności od ciśnienia roboczego twojego systemu.

Dobrą rzeczą jest to, że miksowanie jest potrzebne w wielu aplikacjach, być może możesz uzyskać kilka pomysłów:

NASA zbadała wiele procesów mieszania uderzeń w komorach spalania ciecz-ciecz: Nasamixing

GE, Pratt i Rolls-Royce badali najskuteczniejszy sposób mieszania obejścia i przepływu rdzenia swoich silników odrzutowych: wprowadź opis zdjęcia tutaj

Wreszcie producenci latających i stacjonarnych turbin gazowych dużo eksperymentowali, aby znaleźć bardzo wydajny (szybki) sposób mieszania powietrza i paliwa: wprowadź opis zdjęcia tutaj

Zasadniczo podstawą wszystkich przykładów jest zwiększenie powierzchni dwóch płynów. Na poziomie molekularnym samo mieszanie / dyfuzję można zwiększyć tylko poprzez zwiększenie temperatury. Tak więc w danej temperaturze mieszanie można zwiększyć tylko poprzez zwiększenie powierzchni mieszania i pozwolić cząsteczce zachodzić na większą skalę.

Jednak szczególnie warstwy ścinające i wirujące przepływy, które są stosowane w ostatnim przykładzie, są bardzo trudne do symulacji, ponieważ modele turbulencji często nie wychwytują fizyki wystarczająco dobrze.

Krótkie streszczenie lub komentarz do twojego pytania:

Chciałbym wykorzystać pewne zjawiska dynamiki płynów, aby poprawić miksowanie.

Jest tylko jedno podstawowe zjawisko mieszania, a mianowicie dyfuzja. Aby zwiększyć mieszanie przy stałej dyfuzji, należy zwiększyć pole powierzchni mieszania, co odbywa się najskuteczniej przez wirowanie warstw ścinających.

rul30
źródło
Dziękuję za wspaniałą odpowiedź. Przyjrzę się tym pomysłom. Zastanawialiśmy się z moimi przyjaciółmi, dlaczego projekt pieca nie zmienił się tak bardzo w ciągu 100 lat? Przemysł lotniczy i motoryzacyjny w dużej mierze polegają na właściwym mieszaniu, więc dlaczego nie przenieść technologii na bardziej standardowe procesy chemiczne?
22134484
Fluent ma szeroką gamę modeli turbulencji. Które, jak powiedziałbyś, będzie najlepsze w przypadku tego konkretnego problemu?
22134484
Domyślam się, że dopóki rozwiązujesz 2D w sposób ciągły (co rozumiem i popieram z praktycznego punktu widzenia), możesz także iść z prostszym modelem, takim jak SA. Myślę, że nie będziesz w stanie przewidzieć rzeczywistej liczby, ale możesz porównać zmianę miksowania (coś w rodzaju procentu wzrostu miksowania).
rul30
4

Wstępne rezultaty

Dodałem stożkową strukturę przed punktem dławienia, aby oddzielić przepływ. Zasadniczo cięcie płynu. Ten stożek jest przymocowany za pomocą 4 podpór. Ta konfiguracja zwiększyła mieszanie o absurdalną ilość. Osiągnąłem prawie liniową dystrybucję produktów. Nie przeprowadziłem jednak analizy temperaturowej ani strukturalnej tego stożka, aby sprawdzić, czy wytrzyma temperaturę lub obciążenie na niego przyłożone. Stożek ten został dodany do standardowej struktury. Dalszą analizę należy przeprowadzić za pomocą stożkowych i podwójnie nachylonych wtryskiwaczy.

Do pieca dodano ścianę sinusoidalną, aby wspomóc tworzenie się wirów na granicach. Zwiększyło to liniowość dystrybucji produktu, ale obniżyło współczynnik konwersji, którego obecnie nie rozumiem.

Aby wspomóc proces modelowania, zastosowano prostszą reakcję. Benzen i tlen są podawane do reaktora przy 600 kelwinach.

Legenda o wszystkich poniższych obrazkach zawiera się w przedziale od 0% (czysty) do 100% (czerwony). Wszystkie scenariusze, które zostały uruchomione, wykorzystywały dokładnie te same warunki pracy, a całkowita długość reaktorów pozostała stała.

Wynikowa konwersja wygląda następująco:

Standard

Uzyskana średnia konwersja na wylocie wyniosła 40,09%.

Po dodaniu stożkowej struktury konwersja wzrosła do 43,43% i wygląda następująco:

Stożek

Znaczną poprawę konwersji zaobserwowano, gdy dodano dwa punkty dławika. Znaleziona konwersja: 78,46%. To prawie dwukrotnie więcej niż w standardowym reaktorze.

Podwójny dławik

Następna iteracja obejmowała dodanie zaokrąglonych elementów do reaktora. Spowodowało to końcową konwersję w wysokości 78,57%, co nie jest żadnym znaczącym wzrostem. Ale można to tanio zrobić.

Filet z podwójnym dławikiem

Dwa stożki zostały dodane do konstrukcji z podwójnym dławikiem, dzięki czemu geometria stożka może pomóc w tworzeniu wirów w przedziałach. Wynik był zgodny z oczekiwaniami i stwierdzono konwersję 85,35%.

Double Choke Double Cone

Poprzedni projekt został zmodyfikowany zaokrągleniem podobnym do tego z poprzedniego projektu. Spowodowało to konwersję 86,71%

Filet z podwójnym dławikiem z podwójnym stożkiem

Te moje eksperymenty pokazują, że należy ulepszyć ten archaiczny projekt (dosłownie, pochodzi on z wczesnych lat 90.) poprzez wykorzystanie pewnych zjawisk.

Obecnie jestem w trakcie czesania podwójnego dławika, podwójnego stożka, zaokrąglonej konstrukcji z podwójnymi kątowymi wtryskiwaczami.

22134484
źródło
@Air: Dziękujemy za edycję i odniesienie do innego postu.
22134484
2
Czy mógłbyś skomentować nieco skonfigurowaną symulację? Użyty kod, model turbulencji, warunki brzegowe, (nie) stały, model ponownego przyłączenia? Ale co ważniejsze, czy jest to 2D? Wasze „stożki” pokazują separacje typu karman. Mogą one występować tylko na strukturach pryzmatycznych.
rządzić 30
Tak, niektóre informacje na temat konfiguracji byłyby tutaj dobre. W pytaniu stwierdzono, że oryginalny projekt zapewnia konwersję 60%. Czy udało Ci się modelować ten wynik? Jeśli metodologia symulacji nie może pasować do istniejących danych, nie będzie ona świetna do projektowania ulepszeń.
Dan
1
Niestabilność cylindra (lub klina w twoim przypadku) von Karmana (Strouhal) cechuje się okresową separacją przepływu. Bańka separacyjna „przewraca się” w górę i w dół. Wyobraź sobie teraz stożek lub kulę: ponieważ przepływ jest teraz osiowo symetryczny, separacja nie może się podnosić i
opadać
1
Szczegółowa kinetyka chemiczna może tutaj nie być konieczna. O ile wiem, jest to niepomieszany problem spalania, który zwykle można dość dobrze modelować za pomocą nieskończenie szybkiej chemii (mieszanie jest spalane). To znacznie zmniejszyłoby obliczeniowe koszty obliczania reakcji, uwalniając zasoby do wykorzystania drobniejszej siatki.
Dan
1

rul30 to najlepiej:

Zasadniczo podstawą wszystkich przykładów jest zwiększenie powierzchni dwóch płynów. Na poziomie molekularnym samo mieszanie / dyfuzję można zwiększyć tylko poprzez zwiększenie temperatury. Tak więc w danej temperaturze mieszanie można zwiększyć tylko poprzez zwiększenie powierzchni mieszania i pozwolić cząsteczce zachodzić na większą skalę.

Jednym ze sposobów na to są miksery statyczne . Mieszalnik statyczny to seria ostrzy, zwykle śrubowych, które są wkładane do rury. Ostrza „przecinają” i obracają płyn tak, że stykają się różne elementy objętościowe.

Nie będziesz jednak w stanie modelować jednego w 2D. Istnieją różne typy - Helical:
Mikser śrubowy statix
X Element:
Mikser X Element Statix
i inne.

Wybór odpowiedniego miksera jest prawdopodobnie nauką samą w sobie, na pierwszy rzut oka znalazłem tylko artykuły dotyczące ich zastosowania w produkcji klejów - miksery te są często stosowane w aplikacjach ciecz-ciecz i ciecz-gaz. Ta strona zaleca jeszcze inny rodzaj zastosowania gazu i gazu , rodzaj blachy falistej . Mieszalniki statyczne do mieszania gazu z gazem są również stosowane w oczyszczaniu spalin, może to być jedna z dróg dalszych badań.

Zdjęcia: Schumacher Verfahrenstechnik

targowisko
źródło
... inna droga - dowiedz się, dlaczego nie jest to często robione w ten sposób.
mart
Po opublikowaniu do tej pory wszystkiego, widzieliśmy większą konwersję lub oczekujemy jej co najmniej. Nie mam pojęcia, dlaczego branża nadal używa starego projektu. Poprawki, tak. Ale głównie do ISTNIEJĄCYCH pieców, ograniczając to, co można zrobić. Budowanie od podstaw daje więcej miejsca na ulepszenia projektu. Najczęstsze ulepszenia obejmują lepsze wtryskiwacze, ale są również prymitywne w projektowaniu. Zasadniczo podzielenie jednego wlotu na, powiedzmy, 10 mniejszych. O to chodzi.
22134484