Химия Моделирование диски Чистота Прогресс технологии

Вот как можно определить, когда использовать вычислительной гидродинамики (CFD) для моделирования подробную химии реагирующих потоков для сжигания и химических процессов.

За последние два десятилетия значительные успехи были достигнуты в области химии подробные и ее воздействие на чистый дизайн системы сгорания, обеспечивая топливом и двигателем разработчикам новые средства для достижения чистого дизайна. Эти знания также предоставляет новые возможности для разработки более эффективных и чистых химических процессов.

Уже давно признано, что понимание подробную химии связанных с горением процессах, необходимых для точного моделирования горения. Одной из интересных тенденций в том, что топливо производители работают с дизайнерами система сжигания топлива для оптимизации конструкций и оборудования для повышения эффективности, выбросов и эффективности. Широкое стремление к использованию альтернативных видов топлива возросла потребность в точной и быстрой химии моделирования.

Вычислительная гидродинамика (CFD) стала стандартной инструмент для точной. Моделирование переноса тепла и газа и жидкости. Однако, даже с передовой параллельной обработки сегодняшнего компьютеров, невозможно включить полный механизмов реакций - которые сотни видов и тысячи отдельных химических реакций - в симуляции. Моделирования горения (и других химических реакций) требует решения сложной геометрией, турбулентной структуры потока, теплообмен и сложный химии. Хотя CFD обеспечивает платформу для моделирования реагирующих потоков в сложной геометрии, она не может вместить fuelchemistry механизмы сложнее, чем несколько шагов и сохранить модель стабильности и разумные сроки решения.

В этой статье рассматривается текущее состояние дел в современной simuating подробную химии реагирующих потоков для сжигания и химических процессов. Сильные и слабые стороны CFD для подробного моделирования химии, а также процесс построения детального механизма, проведение экспериментальной проверки, а также сокращения механизм для использования в ЦФО также представлены. Наконец, обсуждение новых технологий и достижений, которые будут необходимы в ближайшем будущем, чтобы помочь достичь чистой проектирование химических дается.

Роль подробную химии

Горение представляет собой процесс превращения углеводородного топлива для водяного пара и углекислого газа с помощью ряда химических реакций, которые в значительной степени зависит от условий эксплуатации, турбулентность уровней и концентраций химических компонентов присутствуют в камеры сгорания, реактор или процесса. Это позволило сократить число шагов детального механизма реакции на одной реакции, или набор серьезно ослабленной реакции, но при этом информация на пути из ключевых шагов в общих преобразований, будут потеряны. Эти шаги включают в себя реакции, которые контролируют образование загрязняющих видов, таких как NO x, SO x, CO и несгоревшие углеводороды (UHCs). Таким образом, ограниченной химии CFD моделирования не может точно отражать воздействие следов видов загрязняющих веществ в общий процесс.

Исследования за последние 30 лет значительно возросло понимание топлива разработчиков подробной шаги, участвующих в реакции топлива в форме продуктов сгорания, а также воздействие различных соединений топлива при сгорании. Разработка подробного механизма предполагает создание полного списка химических веществ, присутствующих и реакций, протекающих при горении.

Развития и сокращения механизм реакции

Создание механизма топлива предполагает изучение всех возможных мер, химическое вещество, которое может участвовать в процессе сгорания топлива, а затем проверка этих мер в отношении экспериментальных данных. Результатом является "хозяином" механизм, который действует для конкретного топлива под конкретные условия эксплуатации.

Механизм, разработанный для горения при атмосферном давлении, например, в печи и котлы, не будет подходить для высокого давления и высокой температуры горения, например, в газовых турбинах. Таким образом, условия эксплуатации, представляющих интерес, важную роль в развитии мастер механизма.

Мастер механизмы могут состоять из тысяч реакций и сотни видов химических соединений. Например, мастер механизмы для бензиновых недавно разработанных консорциумом модели топлива состоять из более чем 8000 реакций и 1, 000 видов. Этот уровень детализации в основной механизм позволяет моделировать следов химических веществ, содержащихся, например, таких загрязнителей, как NO x, CO и UHCs. Хотя такие подробности не требуется, он делает мастер механизм слишком большой для эффективного использования CFD. Сокращение тех-niques, следовательно, использовать для уменьшения размера и сложности механизма.

Мастер механизма (или детальный кинетический механизм) представляет собой совокупность элементарных шагов реакции с соответствующими константами скорости, которые в совокупности описывают химический процесс. Элементарные формы реакции привлекать свободные радикалы и являются чрезвычайно полезными в понимании основной химии горения, особенно в описании эффектов топливной смеси и условий работы диапазонах.

Литература по кинетики горения охватывает три десятилетия и является хорошим ресурсом для кинетических данных для многих углеводородных топлив. Сжигание наука продвинулась до точки, где мастер детальные механизмы могут быть разработаны для многих видов топлива и процессы (например, окисления и пиролиза), но к сожалению, такие механизмы могут быть доступны не достаточно подробно и точности без строгой проверки в результате экспериментов.

Разработка нового механизма мастер требует понимания принципов химической кинетики в целях получения элементарных мер реагирования и назначить их констант скорости. Элементарные реакции могут быть классифицированы по различным категориям, и эмпирическим правилам, могут быть использованы для оценки параметров скорости реакции. Для определения скорости константами для некоторых сложных и важных реакций, экспериментальные данные по основным кинетики должны быть произведены. Достижения в области вычислительной химии также позволит использовать на высоком уровне квантово-механических расчетов точно оценить термодинамические свойства, а также констант скорости.

Основные эксперименты пламени используются для проверки мастер механизма. Эти эксперименты включают ламинарного пламени скорость, зажигание и исчезновения границ, и виды профилей концентрации в смешиванием и не пламен предварительно перемешанных газов.

После того как мастер механизм был определен, специалисты смогут разработать типовые виды топлива - то есть, смеси конкретных чистых компонентов, таких как гептаны, изооктан, додекана и т.д., которые имеют одинаковое поведение горения, как реального топлива. Эти модели топлива могут быть использованы с уверенностью в моделях химии моделирования для прогнозирования сложное поведение сгорания.

Почти все механизма-восстановительные процессы последующей аналогичный подход, в котором полностью детализированных химии модели впервые был применен в ограниченной геометрии или идеального моделирования ized потока для целевых условие или набор условий. Скелетные механизмы разработаны ликвидации химических реакций и виды, связанные с исполнением параметров, которые не представляют интереса к применению. Например, если образование сажи не вызывают обеспокоенности, то реакции, которые генерируют сажи могут быть удалены без потери точности.

Дополнительные сокращения механизм может быть достигнуто путем ликвидации других реакций (реакции или в сочетании) с конкретными параметрами моделирования, представляющие интерес и определенный уровень допустимая погрешность. В конечном счете, снижение или скелетной механизм может быть использован при моделировании либо сокращение времени моделирования или улучшение сходимости моделирования. Конечно, использование механизмов сокращения увеличивает количество ошибки, связанные с моделированием.

Информация извлекается из результатов этих моделях, таких, как коэффициентов чувствительности или темпы производства различных видов, которые затем используются для определения значимости различных реакций и виды моделирования. Как только уменьшенная модель химии создана, она может быть проверена с полной (или магистр), запустив механизм же моделирование с сокращением химии и сравнивая результаты, представляющие интерес. Проверить, ограниченной химии модель может быть использована с некоторой долей уверенности в симуляции CFD, при условии, что ряд условий, представленных в ходе сокращения достаточно, чтобы покрыть весь диапазон, которые будут встречаться в симуляции CFD.

Эквивалентные реактора сетей для подробного моделирования химии

Использование аналогичных сетей реактора (ERNs) представляет собой захватывающее новую технику, чтобы позволить применение подробную химии для создания экологически чистых систем сжигания. НЭС создается представляя собой сложную систему реагирующих потоков в виде серии идеализированной реакторов связаны таким образом, что представляет собой систему в целом. Преимущество использования ERNs является то, что самые подробные химической кинетики механизмы могут быть быстро применяться к сети из-за реакции деталей сложной геометрии и поля течения были упрощены.

Нульмерные и одномерных кинетического моделирования было на протяжении более 30 лет, чтобы позволить использование детальные механизмы химического моделирования. В таких моделирования сокращено порядка, камеры сгорания или реактора переданы в упрощенное представление сложной геометрии и условий эксплуатации. Регионы в камеры сгорания может быть представлена как совершенно перемешивают реактора (PSR) или плагин проточного реактора (ПФР). Полное представление о сложной области потока сгорания могут быть получены путем объединения различных PSR и PFR реакторов в сети с соответствующей вниз по течению и рециркуляции Расходы, приведенные.

После НЭС создается путем тщательного передачи поля течения сгорания, детальный механизм реакции может служить в качестве входных данных для моделирования программного обеспечения для развития понимания поведения химических и производительности. Обустроенности НЭС позволит быстрого и точного применения полном объеме, детальные механизмы топлива для предсказания сгорания производительности факторов, таких как излучение-ния и устойчивость пламени. Идеализированной реакторов имитировать сложности геометрии и поля течения, но таким образом, что позволяет быстро моделирование подробную химии. НЭС подход может быть использован для исследования мастер механизмов для различных видов топлива, и для оценки воздействия различных видов топлива на сжигание важных параметров, таких, как скорость распространения пламени, задержки воспламенения, а также формирование таких загрязнителей, как NO ^ югу х ^, CO, SO ^ х ^ к югу, и сажа (UHCs).

Очень важно, чтобы НЭС является истинным представлением о фактическом сгорания или химических реакторов поля течения для того, чтобы моделирования точной и полезной в процессе проектирования. Это требует детальной оценки квалифицированным персоналом, в процессе создания НЭС, что занимает много времени и не практично в процессе проектирования.

Таким образом, компромисс между точностью в геометрии и точности в топливном химии. Новая методика моделирования программного обеспечения необходимо, чтобы разрешить детальную химии следует применять CFD для получения точного моделирования транспортных потоков и точного моделирования горения. Продавцы нужны инструменты, которые легко ссылка CFD и ERNs для обеспечения оперативного применения подробную химии в современных химически реагирующих дизайн системы.

Сажа образования и рождение частиц

ERNs являются эффективной платформой для выполнения моделирования частиц сажи и поведение, используя детальный механизм реакции. Моделирование сажеобразования в реакторе может быть продлен в реактор сетей, что позволяет более полное и точное представление о сложной геометрии камеры сгорания или реактора. Использование ERNs и сажи возможности прогнозирования частиц позволяет процессу дизайнера уточнить сгорания или реактора для повышения производительности, либо путем устранения сажи производства или его расширения для достижения конкретного числа, плотность и распределение по размерам частиц сажи.

Есть и хорошие и плохие типа сажи. Как правило, сажи рассматривается как плохо и то, что следует избегать. Однако Есть несколько важнейших областей, где сажи либо цели самого процесса или в значительной степени помогает в достижении производственных целей. Некоторые процессы, такие, как метан реформирования по производству аммиака, являются загрязненной сажи, образующихся при химическом процессе реакции. В отличие от сажи может быть очень полезным в повышении радиационного теплообмена в процессе и НПЗ нагревателей, а также в горелки, которые настроены на достижение конкретного профиля теплообмена.

Понимания механизмов образования сажи позволило разработчикам процесс определения короткоживущих видов, которые действуют, как сажа прекурсоров. Соединений, таких как полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), как известно, отвечает за создание сажеобразования при определенных условиях эксплуатации. Однако, упрощенно или глобальные механизмы химических не предоставляют информацию об уровне ПАУ, а также подробные химии процесса, необходимые для выполнения моделирования, которые точно отслеживать создания, роста и уничтожение частиц сажи.

Когда ПАУ присутствует температура пламени без кислорода, это создает частицы сажи, которая растет в массу в результате газовых реакций на поверхности частиц. Как сажа Part'c'e проходит через огонь, и кислород добавил (еще при высокой температуре), частицы сажи становится меньше, в результате реакции окисления поверхности. Различные топлива и смешивания воздуха стратегии могут быть использованы для минимизации образования ПАУ прекурсоров сажи и в конечном итоге привести к системам более чистого сгорания.

Диоксида титана и сажи промышленности строятся на рождение частиц - во многом так же, как частицы сажи образуются. Диоксид титана является частица, которая дает белый материалов, таких, как краски и пластика, их яркого белого цвета. Сажа используется в различных приложениях для производства черного тонов, таких как тонер принтера и асфальта. Хотя эти частицы продукты, созданные в очень разными способами, их производство зависит от подробных химических реакций и условий эксплуатации, которые контролируют размер, распределение и формы частиц. Понимание того, как смоделировать подробную химии и ее взаимодействие с жидкостью динамика имеет решающее значение для обучения, как для разработки более эффективных методов производства, которые производят более качественную продукцию.

В заключение

Уроки, извлеченные из разработки и применения детального понимания химической кинетики горения может в полной мере применимы к химической обработке приложений. Подобно тому, как использование ERNs дает дизайнерам сгорания системы способность эффективно включать моделирование при разработке процесса и точно предсказать выбросов и других параметров, использование ERNs реактора позволяет разработчикам прогнозировать химических параметров процесса, продукты и побочные продукты.

Прогресс, достигнутый в разработке генеральных механизмы и механизмы ограниченной химии реакция будет ездить более широкого признания и интеграции моделирования в проектировании реагирующих поточные системы. Такие проекты, как MFC предоставили топлива и двигателей науки и средства, необходимые для включения большего химии в их методы моделирования, что позволяет им выполнять быстрый график развития, и необходимость их точность.

Дальнейшая работа необходима для разработки более точных частиц химии, как, например, связанных с образованием сажи при горении устройств. Новые правила эмиссии ориентируетесь не только массовые выбросы сажи, но и распределение по размерам этих частиц сажи. Развитие точной химии частиц сажи знания и средства моделирования имеет решающее значение для дальнейшего развития химии или чистых технологий сжигания.

SCOTT Огеппап, возможная ошибка

РЕАКЦИЯ ДИЗАЙН

SCOTT Дреннан, PE, является директором инженерных приложений для реакции дизайн (6440 Ласка бул. Suite D-205, San Diego, CA 92121, телефон: (858) 550-1920, E-почта: <A HREF = "Посылка : sdrennan@reactiondesign.com "> <sdrennan@reactiondesign.com />), поставщик CHEMKIN - программное обеспечение, которое решает химической кинетики. Он имеет опыт работы в странах с низким сгорания выбросов развития технологий и R