1. Що Таке Синтез-газ?
2. Турбулентний Горіння Синтез-газу в Кругло-струменевих пальником
3. результати Моделювання
4. Результати моделювання в порівнянні з експериментальними даними

У цьому пості, ми досліджуємо процес горіння синтез-газу в кругло-струменевого пальнику використовуючи інтерфейси Reacting Flow (Взаємодіючих Потоків) і 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.

В газифікації, вихідне твердотельное сировину перетворюється в газ, який потім може використовуватися в безлічі різних додатків. Наприклад, газ може бути зріджений під тиском. Газифікація особливо цінна через її гнучкості при виборі вихідної сировини, яким може бути що завгодно 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 кругло-струменевого пальнику і порівняємо результати з експериментальними даними.

Турбулентний Горіння Синтез-газу в Кругло-струменевих пальником

В Моделі Горіння Синтез-газу в Кругло-струменевих пальником , Пальник складається з прямої трубки (патрубка), обдувається повільним потоком повітря. Суміш газу з окису вуглецю, водню і азоту, подається через патрубок зі швидкістю упорскування 76 м / с (Число Маха 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 обмежуємося колоподібну струмінь (з круговою симетрією). Турбулентний характер течії струменя гарантує ефективне перемішування двох газів і підтримує горіння на вихідному отворі патрубка. Це не згорання готової суміші, так як паливо і окислювач надходять в зону реакції незалежно.

Схематичне зображення кругло-струменевого пальника.

У цьому прикладі, ми моделюємо процес масопереносу у взаємодіючій струмені, для шести хімічних фракцій - п'яти, що беруть участь в реакції, і азоту з навколишнього потоку. У прикладі, струмінь має числом Рейнольдса близько 16700, що означає, що струмінь є повністю турбулентної. Через це, ми можемо припустити, що турбулентність потоку значно впливає на процеси реакції і перемішування струменів.

k- \ epsilon модель турбулентності використовується для обліку її впливу на поле потоку. Для моделювання турбулентного взаємодії, ми використовуємо модель вихровий диссипации, яка забезпечує простий, надійний спосіб моделювання таких реакцій. Через тепловиділення в процесі реакції, спостерігається значне підвищення температури струменя - визначальної характеристики реакції горіння. Для того щоб точно передбачити температуру і хімічний склад, ми враховуємо як температурну залежність властивостей фракцій, так і температурне зміна фізичних властивостей потоку.

Модель горіння синтез-газу включає високу ступінь взаємодії між об'єднаним турбулентним потоком і процесами тепло- і масопереносу. Ретельний аналіз кроків вирішення такої нелінійної задачі наведено в Колекції (Галереї) Моделей .

результати Моделювання

Перший малюнок нижче показує розподіл поля швидкостей всередині струменя, відображаючи створення і поширення гарячої вільної струменя. У зовнішніх частинах струменя, турбулентне перемішування повідомляє прискорення частини оточуючого потоку і привносить її в струмінь - процес, що позначається як захоплення. Цей перехідний шар проявляється в вигині ліній струму оточуючого потоку у напрямку до струмені, яка витікає з відкритого патрубка.

Величина і розподіл поля швидкостей потоку.

Потім, ми можемо проаналізувати розподіл температури в струмені, використовуючи обертову систему координат для представлення моделі в тривимірному вигляді. Тут, можна визначити максимальну температуру в області горіння, рівну приблизно 1960 K.

Температура струменя.

Наступний малюнок зображує розподіл щільності вуглекислого газу в струмені. CO2 формується в зовнішньому сдвиговом шарі струменя, відразу на виході з труби. У цьому зовнішньому сдвиговом шарі паливо вступає в реакцію з киснем з оточуючого потоку, з турбулентним перемішуванням підтримує реакцію. Подібно утворення CO2, збільшення температури, показане на попередньому графіку, також виникає поза труби. Це означає відсутність дотику і відриву полум'я від труби.

Розподіл щільності вуглекислого газу.

Результати моделювання в порівнянні з експериментальними даними

Змістимо тепер фокус нашого обговорення в сторону порівняння результатів моделювання з експериментальними даними. Наш аналіз почнеться з розподілу температури струменя уздовж центральної лінії (осі потоку), як показано на малюнку внизу зліва. На цьому графіку - і на всіх наступних - суцільна лінія представляє результати моделювання, а символи використовуються для позначення експериментальних значень. Графік розподілу уздовж осьової лінії показує, що максимум температури, передбачений в моделі, близький до експериментальним результатам.

Можна помітити, що в модельних результатах профіль температури зрушать нижче в напрямку поширення. Ця різниця пояснюється тим фактом, що в моделі не враховується випромінювання нагрітої області. Разом з тим, на малюнку справа порівнюються профілі температури вздовж горизонтального перерізу потоку на двох різних відстанях (20 і 50 діаметрів труби) від вихідного отвору труби. Знову ж таки є гарне відповідність між значеннями, отриманими при моделюванні, і аналогічними експериментальними даними.

Зліва: Графік порівняння температури струменя уздовж осьової лінії. Справа: Розподіл температури струменя на відстанях 20 і 50 діаметрів від вихідного отвору труби.

При порівнянні аксиальной швидкості струменя з експериментальними даними, можна помітити, що ці результати знаходиться в прекрасному відповідно для обох відстаней (20 і 50 діаметрів труби). Це є присутнє наступному малюнку:

Розподіл аксіальної швидкості на тих же відстанях від вихідного отвору, що і на попередньому графіку.

Нарешті, оцінимо концентрацію окремих хімічних фракцій уздовж осьової лінії струменя. У разі фракцій N2 і CO, осьовий розподіл концентрації дуже близько до експериментальних даних. H2O і H2 досить добре узгоджуються з експериментальними значеннями з невеликим зсувом для H2O. Фракції CO2 і O2 показують схожу з експериментальними результатами залежність, але, також як і в разі температури, профілі розподілу зрушені вниз по напрямку поширення. Тут також, невідповідність може бути частково пов'язане з відсутністю розгляду в рамках моделі випромінювання від нагрітої області. Крім цього, спрощена схема реакції і модель вихровий диссипации, також можуть впливати на точність обчислень.

Порівняння розподілу масових часток фракцій уздовж осьової лінії струменя.

Спробуйте самі