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AC290-Escoamento Reativo – 08/2007

Cristiane Martins

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Simulação de Escoamentos ReativosSimulação de Escoamentos Reativos

AC 290AC 290


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


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


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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)


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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


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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.


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Exemplos de configurações

Chama laminar - vela


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Exemplo de configurações -

Explosão


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Chama turbulenta tipo jato de GNV


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Combustão confinada


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Queimador industrial - álcool


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Queimador Industrial -

Queimador para caldeira utilizando gás de alto forno


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Fácil simular combustão?

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


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Vejamos o exemplo de Flare


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Quem é o fenômeno majoritário?

Reynolds crescente


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Programa de cinética

Chemkin


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CHEMKIN - Estrutura

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


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CHEMKIN 3.7 - Equil


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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.


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Arquivo chem.inp

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

H2O2 END


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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


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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.


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Chemkin - Equil

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


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CHEMKIN -


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

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


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Equilíbrio considera que a reação teve tempo suficiente para ocorrer.

Cinética considera taxas de reações químicas.


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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).

t

xTaxa


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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].


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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


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Reação ocorre se:

1. colisão favorável

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


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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.


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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.


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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:


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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.

RT

Ea

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


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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.


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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.


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Simulação numérica


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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


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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


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Mistura x reação química

Tem que se definir quem ‘manda’

taxa de reação ou taxa de mistura?


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Chemkin representa ligação de análise matemática, métodos numéricos e desenvolvimento de software.


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Heat and mass transfer


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Sites – Mecanismos e Manual

http://www-cmls.llnl.gov/?url=science_and_technology-chemistry-combustion-mechanisms

http://www.osc.edu/PET/CCM/skeleton/software/chemkin/chemkin.html


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