Sfruttando la fluidodinamica per un design ottimale per la miscelazione di gas in una fornace

sfondo

Questo è il design standard per un forno termico utilizzato nel processo di Clauss, che converte H ₂ S in SO ₂ . Il problema principale con il forno è che la miscelazione del gas è piuttosto scarsa e si traduce in un tasso di conversione solo del 60%. Questo a sua volta aumenta i costi delle apparecchiature a valle per gestire le impurità. Un design che migliora la miscelazione dei gas è molto ricercato.

H ₂ S e O ₂ vengono alimentati separatamente nel reattore. La reazione di combustione inizia e aumenta la temperatura a circa 1400 ° C. Il punto di strozzatura al centro del reattore è lì per forzare i gas a miscelarsi meglio su entrambi i lati di esso.

Quello che ho fatto finora

Ho una modifica del design sugli iniettori che ha permesso una miscelazione molto maggiore, con l'ispirazione presa dagli iniettori di carburante nei veicoli a motore.

Non ho incluso il punto di strozzatura in questo disegno. È stato semplicemente fatto per testare la validità del concetto.

Gli iniettori a doppia angolazione forniscono velocità orizzontale e radiale ai gas di aspirazione. Ciò provoca un effetto vorticoso sul fluido, migliorando la miscelazione di circa il 60%. La miscelazione è qui definita come l'omogeneità della distribuzione del prodotto outlet.

I vantaggi sono duplici: le particelle di gas devono spostarsi ulteriormente a causa del vortice, aumentando il tempo di permanenza nel reattore. Pertanto, si ottiene anche una conversione più grande, o vista da una prospettiva diversa, è necessario un reattore più piccolo per ottenere la stessa conversione dell'unità standard, riducendo drasticamente i costi.

La domanda

Vorrei sfruttare alcuni fenomeni di fluidodinamica per migliorare la miscelazione. La formazione di vortici, ad esempio, viene utilizzata nella sezione soffocamento. Cos'altro si può fare per migliorare il missaggio? Quali funzionalità possono essere aggiunte / rimosse?

PS: spiega a parole il tuo progetto proposto, senza bisogno di una vera modellazione.
Certo, mi aiuterebbe a vedere l'idea, ma non è necessario.

Ho accesso a Fluent in cui simulo questi progetti e li confronto con l'unità standard.

Sono ancora desideroso di vedere cosa puoi inventare.

Per quanto ho capito la tua domanda, stai cercando un modo per diffondere / mescolare due gas l'uno nell'altro. Il processo è molto difficile da simulare "correttamente" a causa delle caratteristiche delle equazioni. Tuttavia, è abbastanza improbabile che tu abbia una miscelazione peggiore di quanto previsto perché i modelli di solito sottovalutano i turbolenti processi di miscelazione. Il tuo problema più grande potrebbe essere la perdita di pressione connessa alla miscelazione turbolenta a seconda della pressione operativa del tuo sistema.

La cosa buona è che il mixaggio è necessario in molte applicazioni, forse puoi avere alcune idee:

La NASA ha studiato molti processi di miscelazione ad impatto per le loro camere di combustione liquido-liquido:

GE, Pratt e Rolls-Royce hanno studiato il modo più efficiente per mescolare bypass e core-flow dei loro motori a reazione:

E infine i produttori di turbine a gas stazionarie e volanti hanno sperimentato molto per trovare un modo molto efficiente (veloce) di mescolare aria e carburante:

Fondamentalmente, l'idea alla base di tutti gli esempi è quella di aumentare la superficie dei due fluidi. A livello molecolare la miscelazione / diffusione stessa può essere aumentata solo aumentando la temperatura. Quindi a una data temperatura la miscelazione può essere aumentata solo aumentando la superficie di miscelazione e lasciando che il molecolare avvenga su una scala più ampia.

Tuttavia, in particolare gli strati di taglio e i flussi vorticosi utilizzati nell'ultimo esempio sono molto difficili da simulare perché i modelli di turbolenza spesso non catturano abbastanza bene la fisica.

Un breve riassunto o commento alla tua domanda:

Vorrei sfruttare alcuni fenomeni di fluidodinamica per migliorare la miscelazione.

Esiste solo un fenomeno di base del mixaggio, ovvero la diffusione. Al fine di aumentare la miscelazione pur avendo una diffusione costante è aumentando la superficie di miscelazione che viene eseguita in modo più efficiente agitando gli strati di taglio.

Risultati preliminari

Ho aggiunto una struttura conica prima del punto di soffocamento per separare il flusso. Fondamentalmente tagliando il fluido. Questo cono è attaccato con 4 supporti. Questa configurazione ha aumentato la miscelazione di una quantità ridicola. Ho raggiunto una distribuzione del prodotto quasi lineare. Tuttavia, non ho eseguito analisi di temperatura o strutturali su questo cono per confermare se può sopportare o meno le temperature o il carico ad esso applicato. Questo cono è stato aggiunto alla struttura standard. Ulteriori analisi dovrebbero essere fatte con il cono e due iniettori ad angolo.

Una fornace sinusoidale fu aggiunta alla fornace per aiutare nella formazione Eddy sui confini. Ciò ha aumentato la linearità della distribuzione del prodotto, ma ha abbassato il tasso di conversione, che al momento non capisco.

Per facilitare il processo di modellazione, viene utilizzata una reazione più semplice. Il benzene e l'ossigeno vengono immessi nel reattore a 600 Kelvin.

La legenda su tutte le seguenti immagini va dallo 0% (chiaro) al 100% (rosso). Tutti gli scenari eseguiti, utilizzavano esattamente le stesse condizioni operative e la lunghezza complessiva dei reattori è rimasta costante.

La conversione risultante ha il seguente aspetto:

La conversione media risultante presso l'outlet è risultata del 40,09%.

Con l'aggiunta della struttura conica, la conversione è aumentata al 43,43% e ha il seguente aspetto:

Un notevole miglioramento nella conversione è stato visto quando sono stati aggiunti due punti di strozzamento. Conversione trovata: 78,46%. Che è quasi il doppio rispetto al reattore standard.

La prossima iterazione prevedeva l'aggiunta di funzionalità arrotondate al reattore. Ciò ha comportato una conversione finale del 78,57%, che non è un grande aumento di alcuna misura. Ma può essere fatto a buon mercato.

Due coni sono stati aggiunti nel design a doppio starter in modo che la geometria del cono possa aiutare nella formazione di vortici nei compartimenti. Il risultato è stato come previsto ed è stata trovata una conversione dell'85,35%.

Il disegno precedente è stato modificato con arrotondamenti simili a quelli di un disegno precedente. Ciò ha comportato una conversione dell'86,71%

Questi miei esperimenti dimostrano che ci sono miglioramenti da apportare a questo disegno arcaico (letteralmente, è arrivato dai primi anni '90) sfruttando un certo fenomeno.

Attualmente sto combinando il doppio strozzatore, il doppio cono, il design arrotondato con gli iniettori a doppio angolo.

rul30 lo dice meglio:

Fondamentalmente, l'idea alla base di tutti gli esempi è quella di aumentare la superficie dei due fluidi. A livello molecolare la miscelazione / diffusione stessa può essere aumentata solo aumentando la temperatura. Quindi a una data temperatura la miscelazione può essere aumentata solo aumentando la superficie di miscelazione e lasciando che il molecolare avvenga su una scala più ampia.

Un modo per farlo sono i mixer statici . Un miscelatore statico è una serie di pale, tipicamente elicoidali, che vengono inserite in un tubo. Le lame "tagliano" e ruotano il fluido in modo tale che diversi elementi del volume siano a contatto.

Tuttavia, non sarai in grado di modellarne uno in 2D. Esistono diversi tipi: elicoidale:

elemento X:

e altri.

Scegliere il giusto miscelatore è probabilmente una scienza in sé, a prima vista ho trovato solo articoli sul loro uso nella produzione di adesivi: questi miscelatori sono spesso utilizzati in applicazioni liquido-liquido e liquido-gas. Questa pagina consiglia ancora un altro tipo per l'applicazione gas-gas , un tipo di piastra ondulata . I miscelatori statici per la miscelazione gas-gas sono utilizzati anche nel trattamento dei gas di scarico, questa potrebbe essere una strada per ulteriori ricerche.

Immagini: Schumacher Verfahrenstechnik