Bir fırında gaz karıştırma için en uygun tasarım için sıvı dinamiklerini kullanma

Arka fon

Bu, H dönüştürür Clauss işleminde kullanılan bir ısı fırını için standart bir tasarım ₂ SO S'nin ₂ . Fırın ile ilgili temel sorun, gaz karışımının oldukça zayıf olması ve sadece% 60 dönüşüm oranı ile sonuçlanmasıdır. Bu da, safsızlıklarla başa çıkmak için aşağı akım ekipman maliyetlerini arttırır. Gazların karışımını geliştiren bir tasarım çok aranmaktadır.

H ₂ S ve O ₂ reaktöre ayrı ayrı beslenmektedir. Yanma reaksiyonu başlar ve sıcaklığı yaklaşık 1400 ° C'ye yükseltir. Reaktörün ortasındaki boğulma noktası, gazları her iki tarafında daha iyi karışmaya zorlamak için vardır.

Şimdiye kadar ne yaptım

Motorlu taşıtlardaki yakıt enjektörlerinden ilham alınarak, daha fazla karıştırmaya izin veren enjektörlerde bir tasarım modifikasyonum var.

Bu çizime boğulma noktasını dahil etmedim. Sadece kavramın geçerliliğini test etmek için yapıldı.

İki açılı enjektörler, giriş gazlarına yatay ve radyal hız sağlar. Bu, akışkan üzerinde dönen bir etkiye neden olarak karışmayı yaklaşık% 60 oranında artırır. Karıştırma burada çıkış ürünü dağılımının homojenliği olarak tanımlanır.

Avantajlar iki katlıdır: Girdap nedeniyle gaz parçacıklarının daha fazla hareket etmesi gerekir ve bu da reaktörde kalma süresini arttırır. Böylece, daha büyük bir dönüşüm elde edilir veya farklı bir perspektiften bakıldığında, standart birim ile aynı dönüşümü sağlamak için daha küçük bir reaktöre ihtiyaç duyulur ve maliyetleri önemli ölçüde azaltır.

Soru

Karıştırma üzerine gelişmek için bazı akışkanlar dinamiği olaylarından faydalanmak istiyorum. Örneğin, girdap oluşumu boğulma bölümünde kullanılır. Karışımı geliştirmek için başka neler yapılabilir? Hangi özellikler eklenebilir / kaldırılabilir?

Not: Önerilen tasarımınızı kelimelerle açıklayın, gerçek modellemeye gerek yok.
Tabii ki, fikri görmeme yardımcı olacaktı, ama gerekli değil.

Bu tasarımları simüle ettiğim ve standart birimle karşılaştırabildiğim Fluent'e erişimim var.

Hala ne bulabileceđini görmek için can atıyorum.

Sorunuzu anladığım kadarıyla, iki gazı birbirine yaymanın / karıştırmanın bir yolunu arıyorsunuz. İşlem, denklemlerin özellikleri nedeniyle "doğru" taklit etmek çok zordur. Bununla birlikte, tahmin edilenden daha kötü bir karışıma sahip olmanız pek olası değildir, çünkü modeller genellikle türbülanslı karıştırma işlemlerini hafife alır. En büyük probleminiz, sisteminizin çalışma basıncına bağlı olarak türbülanslı karışıma bağlı basınç kaybı olabilir.

İyi olan şey birçok uygulamada karıştırma yapılmasıdır, belki bazı fikirler edinebilirsiniz:

NASA, sıvı-sıvı yanma odaları için birçok çarpma karıştırma işlemini araştırdı:

GE, Pratt ve Rolls-Royce, jet motorlarının baypas ve çekirdek akışını karıştırmanın en etkili yolunu araştırdı:

Ve son olarak uçan ve sabit gaz türbini üreticileri, hava ve yakıtı karıştırmak için çok verimli (hızlı) bir yol bulmak için çok şey denedi:

Temel olarak, tüm örneklerin arkasındaki fikir, iki sıvının yüzeyini arttırmaktır. Moleküler seviyede karıştırma / difüzyonun kendisi ancak sıcaklık artırılarak arttırılabilir. Bu nedenle, belirli bir sıcaklıkta karıştırma, sadece karıştırma yüzeyinin arttırılmasıyla arttırılabilir ve molekülün daha büyük bir ölçekte gerçekleşmesine izin verilir.

Bununla birlikte, özellikle son örnekte kullanılan kesme katmanları ve dönen akışların simüle edilmesi çok zordur, çünkü türbülans modelleri genellikle fiziği yeterince iyi yakalamaz.

Sorunuza kısa bir özet veya yorum:

Karıştırma üzerine gelişmek için bazı akışkanlar dinamiği olaylarından faydalanmak istiyorum.

Sadece bir temel karıştırma fenomeni vardır ve bu difüzyondur. Sabit bir difüzyona sahipken karıştırmayı arttırmak için, dönen makaslama katmanları ile en verimli şekilde yapılan karıştırma yüzeyi alanını arttırmaktır.

Ön sonuçlar

Boğulma noktasından önce akışı ayırmak için konik bir yapı ekledim. Temelde sıvıyı kesmek. Bu koni 4 destek ile tutturulmuştur. Bu yapılandırma, karışımı saçma bir miktar artırdı. Neredeyse doğrusal bir ürün dağılımı elde ettim. Bununla birlikte, bu koni üzerinde, uygulanan sıcaklıklara veya yüke dayanıp dayanamayacağını doğrulamak için sıcaklık veya yapısal analiz yapmadım. Bu koni standart yapıya ilave edildi. Koni ve iki açılı enjektörlerle daha fazla analiz yapılmalıdır.

Sınırlarda Eddy oluşumuna yardımcı olmak için fırına sinüzoidal bir duvar eklendi. Bu, ürün dağıtımının doğrusallığını artırdı, ancak şu anda anlamadığım dönüşüm oranını düşürdü.

Modelleme sürecine yardımcı olmak için daha basit bir reaksiyon kullanılır. Benzen ve oksijen reaktöre 600 Kelvin'de beslenir.

Aşağıdaki tüm görüntülerin açıklamaları% 0 (net) ile% 100 (kırmızı) arasında değişmektedir. Çalıştırılan, tamamen aynı çalışma koşullarını kullanan ve reaktörlerin toplam uzunluğu sabit kalan tüm senaryolar sabit kaldı.

Ortaya çıkan dönüşüm aşağıdaki gibi görünür:

Çıkışta ortaya çıkan ortalama dönüşüm% 40.09 olarak bulunmuştur.

Konik yapının eklenmesi ile dönüşüm% 43.43'e yükseldi ve aşağıdaki gibi görünüyor:

İki jikle noktası eklendiğinde dönüşümde büyük bir iyileşme görülmüştür. Bulunan dönüşüm:% 78.46. Standart reaktöre kıyasla neredeyse iki kat daha fazladır.

Bir sonraki yineleme, reaktöre yuvarlak özellikler eklenmesini içeriyordu. Bu,% 78,57'lik nihai bir dönüşümle sonuçlandı; bu, herhangi bir önlemle büyük bir artış değil. Ancak, ucuz olarak yapılabilir.

Konik geometrinin bölmelerde girdap oluşumuna yardımcı olabilmesi için çift boğucu tasarıma eklenen iki koni. Sonuç beklendiği gibi oldu ve% 85.35'lik bir dönüşüm bulundu.

Önceki tasarım, önceki tasarımınkine benzer yuvarlama ile değiştirildi. Bu,% 86.71'lik bir dönüşümle sonuçlandı

Bu deneylerim, bu arkaik tasarımda (edebi olarak, 90'ların başından itibaren) bazı fenomenlerden yararlanarak yapılacak iyileştirmeler olduğunu gösteriyor.

Şu anda çift jikle, çift koni, yuvarlak tasarımı iki açılı enjektörlerle tarama sürecindeyim.

rul30 en iyisi:

Temel olarak, tüm örneklerin arkasındaki fikir, iki sıvının yüzeyini arttırmaktır. Moleküler seviyede karıştırma / difüzyonun kendisi ancak sıcaklık artırılarak arttırılabilir. Bu nedenle, belirli bir sıcaklıkta karıştırma, sadece karıştırma yüzeyinin arttırılmasıyla arttırılabilir ve molekülün daha büyük bir ölçekte gerçekleşmesine izin verilir.

Bunu yapmanın bir yolu statik karıştırıcılar . Statik bir karıştırıcı, bir boruya yerleştirilen, tipik olarak helisel bir dizi bıçaktır. Bıçaklar farklı hacim elemanları temas edecek şekilde sıvıyı 'kesecek' ve döndürecektir.

Bununla birlikte, 2D'de bir modelleme yapamazsınız. Farklı türleri vardır - Sarmal:

X Elemanı:

ve diğerleri.

Doğru karıştırıcıyı seçmek muhtemelen kendi başına bir bilimdir, ilk bakışta sadece yapıştırıcı üretiminde kullanımları hakkında makaleler buldum - bu karıştırıcılar genellikle sıvı-sıvı ve sıvı-gaz ​​uygulamasında kullanılır. Bu sayfa gaz gaz uygulaması için başka tür henüz tavsiyede , bir oluklu levha tipi. Egzoz gazı arıtımında gaz-gaz karıştırma için statik karıştırıcılar da kullanılır, bu daha ileri araştırmaların bir yolu olabilir.

Resimler: Schumacher Verfahrenstechnik