Explotación de la dinámica de fluidos para el diseño óptimo para la mezcla de gases en un horno

Antecedentes

Este es el diseño estándar para un horno térmico utilizada en el proceso Clauss, que convierte H ₂ S a SO ₂ . El principal problema con el horno es que la mezcla de gases es bastante pobre y da como resultado una tasa de conversión de solo 60%. Esto a su vez aumenta los costos del equipo aguas abajo para manejar las impurezas. Un diseño que mejore la mezcla de los gases es muy buscado.

H ₂ S y O ₂ se alimenta por separado en el reactor. La reacción de combustión comienza y aumenta la temperatura a aproximadamente 1400 ° C. El punto de estrangulamiento en el centro del reactor está ahí para obligar a los gases a mezclarse mejor a cada lado.

Lo que he hecho hasta ahora

Tengo una modificación de diseño en los inyectores que permitió una mezcla mucho mayor, con la inspiración de los inyectores de combustible en los vehículos de motor.

No incluí el punto de estrangulamiento en este dibujo. Simplemente se hizo para probar la validez del concepto.

Los inyectores de doble ángulo proporcionan velocidad horizontal y radial a los gases de entrada. Esto provoca un efecto de remolino en el fluido, mejorando la mezcla en aproximadamente un 60%. La mezcla se define aquí como la homogeneidad de la distribución del producto de salida.

Las ventajas son dobles: las partículas de gas necesitan viajar más lejos debido al remolino, lo que aumenta el tiempo que permanecen en el reactor. Por lo tanto, también se logra una conversión más grande, o visto desde una perspectiva diferente, se necesita un reactor más pequeño para lograr la misma conversión que la unidad estándar, reduciendo drásticamente los costos.

La pregunta

Deseo explotar ciertos fenómenos de dinámica de fluidos para mejorar la mezcla. La formación de Eddy, por ejemplo, se usa en la sección de asfixia. ¿Qué más se puede hacer para mejorar la mezcla? ¿Qué características se pueden agregar / eliminar?

PD: explique su diseño propuesto en palabras, sin necesidad de modelado real.
Por supuesto, me ayudaría a ver la idea, pero no es necesario.

Tengo acceso a Fluent en el que simulo estos diseños y los comparo con la unidad estándar.

Todavía estoy ansioso por ver qué se te ocurre.

Hasta donde entiendo su pregunta, está buscando una manera de difundir / mezclar dos gases entre sí. El proceso es muy difícil de simular "correctamente" debido a las características de las ecuaciones. Sin embargo, es bastante improbable que tenga una mezcla peor de lo previsto porque los modelos generalmente subestiman los procesos de mezcla turbulentos. Su mayor problema podría ser la pérdida de presión conectada a la mezcla turbulenta dependiendo de la presión de operación de su sistema.

Lo bueno es que se necesita mezclar en muchas aplicaciones, tal vez pueda obtener algunas ideas:

La NASA investigó muchos procesos de mezcla de impacto para sus cámaras de combustión líquido-líquido:

GE, Pratt y Rolls-Royce han investigado la forma más eficiente de mezclar bypass y flujo de núcleo de sus motores a reacción:

Y finalmente, los fabricantes de turbinas de gas voladoras y estacionarias han experimentado mucho para encontrar una forma muy eficiente (rápida) de mezclar aire y combustible:

Básicamente, la idea detrás de todos los ejemplos es aumentar la superficie de los dos fluidos. A nivel molecular, la mezcla / difusión en sí solo puede aumentarse aumentando la temperatura. Por lo tanto, a una temperatura dada, la mezcla solo puede aumentarse aumentando la superficie de mezcla y dejando que el molecular suceda a una escala mayor.

Sin embargo, especialmente las capas de corte y los flujos de remolino que se usan en el último ejemplo son muy difíciles de simular porque los modelos de turbulencia a menudo no capturan la física lo suficientemente bien.

Un breve resumen o comentario a su pregunta:

Deseo explotar ciertos fenómenos de dinámica de fluidos para mejorar la mezcla.

Solo hay un fenómeno básico de mezcla y es la difusión. Con el fin de aumentar la mezcla mientras se tiene una difusión constante, se aumenta el área de superficie de mezcla, lo que se hace más eficientemente girando las capas de corte.

Resultados preliminares

Agregué una estructura cónica antes del punto de estrangulamiento para separar el flujo. Básicamente cortando el fluido. Este cono está unido con 4 soportes. Esta configuración aumentó la mezcla en una cantidad ridícula. Logré una distribución de producto casi lineal. Sin embargo, no he realizado análisis de temperatura o estructurales en este cono para validar si puede soportar o no las temperaturas o la carga aplicada. Este cono se agregó a la estructura estándar. Se debe realizar un análisis adicional con el cono y los inyectores con dos ángulos.

Se agregó una pared sinusoidal al horno para ayudar en la formación de Eddy en los límites. Esto aumentó la linealidad de la distribución del producto, pero disminuyó la tasa de conversión, que no entiendo por el momento.

Para ayudar en el proceso de modelado, se utiliza una reacción más simple. Se alimenta benceno y oxígeno al reactor a 600 Kelvin.

La leyenda de todas las siguientes imágenes varía de 0% (claro) a 100% (rojo). Todos los escenarios que se ejecutaron, usaron exactamente las mismas condiciones de operación y la longitud total de los reactores permaneció constante.

La conversión resultante tiene el siguiente aspecto:

Se encontró que la conversión promedio resultante en la salida era del 40.09%.

Con la adición de la estructura cónica, la conversión aumentó a 43.43% y tiene el siguiente aspecto:

Se observó una mejora importante en la conversión cuando se agregaron dos puntos de estrangulamiento. La conversión que se encontró: 78,46%. Que es casi el doble en comparación con el reactor estándar.

La siguiente iteración, implicó agregar características redondeadas al reactor. Esto dio como resultado una conversión final del 78.57%, que no es un gran aumento en ninguna medida. Pero, se puede hacer a bajo costo.

Se agregaron dos conos en el diseño de doble estrangulador para que la geometría del cono pueda ayudar en la formación de remolinos en los compartimentos. El resultado fue el esperado y se encontró una conversión del 85,35%.

El diseño anterior se modificó con un redondeo similar al de un diseño anterior. Esto resultó en una conversión del 86.71%

Estos experimentos míos muestran que hay mejoras que hacer a este diseño arcaico (alfabetizado, vino de principios de los 90) al explotar ciertos fenómenos.

Actualmente estoy en el proceso de peinar el diseño de doble estrangulador, doble cono, redondeado con los inyectores doblemente angulados.

rul30 lo mejor:

Básicamente, la idea detrás de todos los ejemplos es aumentar la superficie de los dos fluidos. A nivel molecular, la mezcla / difusión en sí solo puede aumentarse aumentando la temperatura. Por lo tanto, a una temperatura dada, la mezcla solo puede aumentarse aumentando la superficie de mezcla y dejando que el molecular suceda a una escala mayor.

Una forma de hacerlo son los mezcladores estáticos . Un mezclador estático es una serie de palas, típicamente helicoidales, que se insertan en una tubería. Las cuchillas 'cortarán' y girarán el fluido para que diferentes elementos de volumen estén en contacto.

Sin embargo, no podrá modelar uno en 2D. Hay diferentes tipos: Helicoidal:

Elemento X:

y otros.

Elegir el mezclador correcto es probablemente una ciencia en sí misma, a primera vista solo encontré artículos sobre su uso en la producción de adhesivos; estos mezcladores a menudo se usan en aplicaciones de líquido-líquido y gas-líquido. Esta página aconseja otro tipo más para la aplicación de gas-gas , un tipo de placa corrugada . Los mezcladores estáticos para la mezcla de gas y gas también se usan en el tratamiento de gases de escape, esto podría ser una vía de investigación adicional.

Fotos: Schumacher Verfahrenstechnik