Cristiane Martins Simulação de Escoamentos Reativos AC 290

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Cristiane Martins

Simulação de Escoamentos ReativosSimulação de Escoamentos Reativos

AC 290AC 290

Não existe nenhuma possibilidade de sucesso na simulação de quaisquer fenômenos caso não seja realizada uma avaliação anterior coerente.

O que é a combustão??‘’Oxidação’’ auto-sutentável de um combustível combustível – tipicamente hidrocarbonetooxidante - tipicamente ar

Visão Global Revisão

termodinâmica química – equilíbrio, cálculo temperatura, pressão, composição, propriedades de transporte

teoria cinética: taxas de colisão Cinética química

teoria da cinética estendida para taxas de reações químicas

mecanismo de reações (série de reações) Modelagem de acoplamento térmico/químico

reatores químicos (sem mecânica de fluidos), por exemplo reatores bem misturados (taxa infinita de mistura)

A composição dos produtos de exaustão provenientes das reações de combustão dependem de inúmeros fatores, incluindo tipo de oxidante, composição, temperatura dos gases e razão de

equivalência.

Processo reacional – equilíbrio adiabático

Objetivo - fluência

Modelagem de taxas de reações químicas Modelos de reatores simplificados baseados na

análise química e térmica acoplada Equações de conservação e transporte para fluxos

reativos Estrutura e limite de propagação de onda de

combustão premisturada laminar Estrutura e mecanismos controladores em chama

difusiva laminar Escala temporal e espacial em chamas turbulentas.

Exemplos de configurações

Chama laminar - vela

Exemplo de configurações -

Explosão

Chama turbulenta tipo jato de GNV

Combustão confinada

Queimador industrial - álcool

Queimador Industrial -

Queimador para caldeira utilizando gás de alto forno

Fácil simular combustão?

Fenômeno de combustão envolve a interação de fenômenos Físicos e Químicos.

Vejamos o exemplo de Flare

Quem é o fenômeno majoritário?

Reynolds crescente

Programa de cinética

Chemkin

CHEMKIN - Estrutura

http://www.ca.sandia.gov/chemkin/

CHEMKIN 3.7 - Equil

Cálculos de equilíbrio no Chemkin Chemkin equilibrium é fácil de se utilizar mas não é tão poderoso

quanto outros programas de equilíbrio como NASA-LEWIS e GASEQ.

Estes últimos pesquisam sua base de dados e determinam quais espécies serão consideradas no cálculo de equilíbrio.

O Chemkin exige que o usuário entre com todas as espécies a serem consideradas.

Por exemplo na combustão CH4/ar, NO e NO2 não serão considerados a menos que sejam introduzidas no arquivo de entrada. CO muito menos será considerado se não incluído.

Arquivo chem.inp

ELEMENTS H O N END SPECIES H2 H O2 O OH HO2 H2O N2

H2O2 END

REAC H2 2REAC O2 1REAC N2 3.76 REAC – Especifica os reagentes e sua fração molar ou mássica. HPTEMP 300 TEMP – Entrada obrigatória, Temp de entrada (K) PRES 1 PRES - Pressão de partida em atm CNTN CNTN – Diz ao programa para procurar um problema adicional após comando

END. ENDREAC H2 2REAC O2 1REAC N2 3.76HPTEMP 400TEST 2000 TEST – Estime uma temperatura de equilíbrio em KPRES 1CNTNENDREAC H2 2REAC O2 1REAC N2 3.76HPTEMP 500TEST 2000PRES 1END

Exemplo -

Calcule a temperatura adiabática de chama e composição de equilíbrio do CO com ar nas razões de equivalências de 0,5, 1 , 1,2. Desconsidere NO. Condições de entrada – 300K, 1 atm. Utilize o comando CNTN para salvar no mesmo arquivo todas as razões de equivalências.

2. Repita o problema 1 considerando formação de NOx.

3. Repita o problema 2, mas considere que a entrada contém 10% de H2.

4. Compare com resultados obtidos no GASEQ e TEQWORKS.

Chemkin - Equil

Por que utilizar a subrotina de Equil do Chemkin se você tem acesso a outros programas de equilíbrio mais completos?

CHEMKIN -

Existem muitos tipos diferentes de problemas que podem ser resolvidos utilizando subrotinas Chemkin.

Diferentes programas coordenam subrotinas e controlam os arquivos de entrada/saída.

Equilíbrio considera que a reação teve tempo suficiente para ocorrer.

Cinética considera taxas de reações químicas.

Cinética Química – Conceitos Básicos Experimentos envolvendo reações tem como

objetivo descrever a taxa de reação para a qual os reagentes são transformados em produtos.

O termo taxa é muitas vezes utilizado para descrever variações de determinada quantidade no tempo. (taxa de inflação, variação de distância no tempo)

A taxa de reação consequentemente é a variação da concentração de um dos reagentes (x) no tempo (t).

xTaxa

Cinética – taxa de reação

Todas as reações químicas ocorrem em uma taxa finita (lenta ou rápida) dependendo de parâmetros experimentais tais como composição, temperatura e pressão.

A taxa de uma reação é a medida quantitativa do número de moles de produto produzido (ou reagente consumido) por unidade de tempo por unidade de volume.

Taxa = [ em moles de espécies] / [t * volume].

Quando uma reação ocorre?

Somente uma pequena fração de moléculas reagentes convertem reagentes em produto.

Depende: Colisão adequada Energia que as moléculas possuem ao colidir

Reação ocorre se:

1. colisão favorável

ClNO2(g) + NO(g) NO2(g) + ClNO(g)

Reação ocorre

2. energia suficiente

Nem todas as moléculas possuemmesma energia cinética. Isto é importante porquea energia cinética que a molécula carregaquando colide é a principal fonte de energiapara se iniciar a reação

mesmo sistema, moléculas com energia diferente.

Reação ocorre ClNO2(g) + NO(g) NO2(g) + ClNO(g) Go = -23.6 kJ/mol

A energia livre padrão da reação acima nos diz que esta reação é favorável.Isto é suficiente para que a reação ocorra??

Antes que qualquer reação ocorra é necessário que a energia livre do sistema supere a energia de ativação para a reação.

Ea mede a variação no potencial de energia de um par de moléculas que é exigido para se iniciar o processo de conversão de um par de moléculas reagentes em um par de moléculas produto.

ClNO2(g) + NO(g) NO2(g) + ClNO(g) Go = -23.6 kJ/mol

Moléculas de NO e ClNO2 que colidirem na orientação correta, com energia suficiente para superar a barreira da energia de ativação, podem reagir e formar NO2 e ClNO.

Quando a temperatura do sistema aumenta, o número de moléculas que carregam consigo energia suficiente para reagir quando colidirem também aumenta.

Reação ocorre somente quando:

taxa de reação x temperatura como explicar a relação entre a taxa de reação e a temperatura?

A saída é assumir que a constante da taxa depende da temperatura para a qual a reação ocorre.

AeK

Em 1889, Svante Arrhenius demonstrou que a relação entre temperatura e a constante da taxa para uma reação obedece a seguinte equação:

k é a constante da taxa para a reaçãoA é fator de proporcionalidade que varia com cada reaçãoEa é a energia de ativação para a reaçãoR é a constante do gás e T a temperatura

Constante da taxa?

Um resultado interessante é obtido quando se determinou taxas de reações instantâneas para vários pontos ao longo de uma curva.

A taxa de reação para cada ponto na curva é diretamente proporcional a concentração do reagente em determinado momento no tempo.

Taxa = k(reagente)

Visto se tratar de uma lei experimental que descreve a taxa de reação, é conhecida como lei da taxa.

A constante de proporcionalidade, K, é conhecida como constante da taxa.

Modelagem matemática

Modelagem matemática – habilidade de generalizar, extrair o que é comum em diversos problemas, e construir algoritmos efetivos para dar suporte na caracterização, análise e predição de problemas de engenharia.

Modelos matemáticos conduzem a ‘’experimentos virtuais’’, os quais no mundo real poderiam ser muito caros, perigosos ou mesmo impossíveis.

Simulação numérica

Importante na modelagem – escalas de tempo

PASSO 1- Definição da escala de tempo – Antes de iniciar a simulação do seu escoamento você deverá ter noção ou definir quem é o fenômeno majoritário.

tempo mecânico (mistura) x tempo químico

Como saber? As vezes temos diferentes condições de

escoamento em um único processo.

Zone 1:Zona de recirculação plana

& estabilização ppor vórtices

Zona 2:Zona de mistura não –

reativa& Região de combustível

não-queimado

Zona 3:‘’Rabo’’ aximétrico

Mistura x reação química

Tem que se definir quem ‘manda’

taxa de reação ou taxa de mistura?