Использование гидродинамики для оптимальной конструкции смешивания газов в печи

12

Фон

стандартная термическая печь

Это стандартная конструкция для термической печи, используемой в процессе Клаусса, которая преобразует H 2 S в SO 2 . Основная проблема с печью состоит в том, что смешивание газа является довольно плохим и приводит только к 60% конверсии. Это, в свою очередь, увеличивает стоимость оборудования для обработки примесей. Конструкция, улучшающая смешивание газов, очень востребована.

H 2 S и O 2 подают отдельно в реактор. Реакция горения начинается и повышает температуру примерно до 1400 ° C. Дроссельная точка в центре реактора служит для того, чтобы заставить газы лучше смешиваться с обеих сторон от него.

Что я сделал до сих пор

У меня есть конструктивная модификация форсунок, которая позволила значительно улучшить смешивание, благодаря вдоху, взятому из топливных форсунок в автомобилях.

модифицированные форсунки

Я не включил дроссельную точку в этот рисунок. Это было просто сделано, чтобы проверить правильность концепции.

Двойные угловые форсунки обеспечивают как горизонтальную, так и радиальную скорость входящим газам. Это вызывает завихрение жидкости, улучшая перемешивание примерно на 60%. Смешивание здесь определяется как однородность распределения продукта на выходе.

Преимущества двоякие: частицы газа должны перемещаться дальше из-за завихрения, увеличивая время пребывания в реакторе. Таким образом, также достигается большая конверсия или, с другой точки зрения, требуется реактор меньшего размера для достижения той же конверсии, что и для стандартной установки, что значительно снижает затраты.

Вопрос

Я хочу использовать некоторые явления гидродинамики, чтобы улучшить смешивание. Вихревая формация, например, используется в секции удушья. Что еще можно сделать, чтобы улучшить смешивание? Какие функции могут быть добавлены / удалены?

PS: Объясните ваш предложенный дизайн словами, нет необходимости в реальном моделировании.
Конечно, это помогло бы мне увидеть идею, но это не обязательно.

У меня есть доступ к Fluent, в котором я моделирую эти конструкции и сравниваю их со стандартным блоком.

Я все еще хочу увидеть, что вы можете придумать.

22134484
источник
Это интересный процесс, но, похоже, вы тратите большую часть своей постановки задачи, отвечая на вопрос, показывая методы увеличения смешивания и коэффициентов конверсии. Вместо этого вы должны опубликовать свои методы в качестве ответа. Может быть, кто-то побьет ваши результаты - а может и нет!
эфир
Я сделаю это, спасибо. И я действительно надеюсь, что кто-то победит меня! Есть способ достичь почти 100%, я в этом уверен, мы просто должны его найти.
22134484

Ответы:

5

Насколько я понимаю ваш вопрос, вы ищете способ диффузии / смешивания двух газов друг с другом. Процесс очень трудно смоделировать «правильно» из-за характеристик уравнений. Однако весьма маловероятно, что смешивание будет хуже, чем прогнозировалось, поскольку модели обычно недооценивают процессы турбулентного перемешивания. Самой большой проблемой может быть потеря давления, связанная с турбулентным перемешиванием, в зависимости от рабочего давления вашей системы.

Хорошо то, что микширование необходимо во многих приложениях, может быть, вы можете получить некоторые идеи:

НАСА исследовало множество процессов смешения для их камер сгорания жидкость-жидкость: Nasamixing

GE, Pratt и Rolls-Royce исследовали наиболее эффективный способ смешать байпас и поток ядра своих реактивных двигателей: введите описание изображения здесь

И, наконец, производители летающих и стационарных газовых турбин много экспериментировали, чтобы найти очень эффективный (быстрый) способ смешивания воздуха и топлива: введите описание изображения здесь

По сути, идея всех этих примеров заключается в увеличении поверхности двух жидкостей. На молекулярном уровне само смешивание / диффузия может быть увеличено только путем повышения температуры. Таким образом, при заданной температуре перемешивание может быть увеличено только за счет увеличения поверхности смешивания и обеспечения возможности увеличения молекулярной массы.

Однако особенно сложно моделировать слои сдвига и закрученные потоки, которые используются в последнем примере, поскольку модели турбулентности часто недостаточно хорошо отражают физику.

Краткое резюме или комментарий к вашему вопросу:

Я хочу использовать некоторые явления гидродинамики, чтобы улучшить смешивание.

Существует только один основной феномен смешения - это диффузия. Чтобы увеличить смешивание при постоянной диффузии, необходимо увеличить площадь поверхности смешивания, что наиболее эффективно достигается путем закручивания слоев сдвига.

rul30
источник
Спасибо за отличный ответ. Я посмотрю на эти идеи. Мне и моим друзьям было интересно, почему конструкция печи так сильно не изменилась за 100 лет? Аэрокосмическая и автомобильная промышленность в значительной степени зависят от правильного смешивания, так почему бы не перенести технологию на более стандартные химические процессы?
22134484
Свободно владеет широким спектром моделей турбулентности. Что, по-вашему, лучше всего подойдет для этой конкретной проблемы?
22134484
Я полагаю, что пока вы решаете 2D-устойчивую (что я понимаю и поддерживаю с практической точки зрения), вы также можете использовать более простую модель, такую ​​как SA. Я думаю, что вы не сможете предсказать фактическое число, но вы можете сравнить изменение микширования (что-то вроде увеличения микширования в процентах).
30
4

Предварительные результаты

Я добавил коническую структуру перед точкой удушья, чтобы отделить поток. В основном резка жидкости. Этот конус прикреплен с 4 опорами. Эта конфигурация увеличивает смешивание на смешную величину. Я достиг почти линейного распределения продукта. Тем не менее, я не проводил температурный или структурный анализ этого конуса, чтобы проверить, может ли он выдержать температуру или нагрузку, приложенную к нему. Этот конус был добавлен к стандартной структуре. Дальнейший анализ должен быть сделан с конусом и двухугольными инжекторами.

Синусоидальная стенка была добавлена ​​в печь, чтобы помочь образованию вихрей на границах. Это увеличило линейность распределения продукта, но снизило коэффициент конверсии, чего я не понимаю в данный момент.

Чтобы помочь в процессе моделирования, используется более простая реакция. Бензол и кислород подают в реактор при 600 Кельвин.

Легенда от всех следующих изображений варьируется от 0% (прозрачный) до 100% (красный). Во всех сценариях, которые были запущены, использовались абсолютно одинаковые условия эксплуатации, а общая длина реакторов оставалась постоянной.

Итоговое преобразование выглядит следующим образом:

стандарт

В результате средняя конверсия на выходе составила 40,09%.

С добавлением конической структуры конверсия увеличилась до 43,43% и выглядит следующим образом:

шишка

Значительное улучшение в конверсии было замечено, когда были добавлены две точки дросселирования. Конверсия, которая была найдена: 78,46%. Что почти вдвое больше по сравнению со стандартным реактором.

Двойной Дроссель

Следующая итерация включала добавление округлых элементов в реактор. Это привело к конечной конверсии в 78,57%, что не является значительным увеличением по каким-либо показателям. Но это может быть дешево сделано.

Филе двойного дросселя

Два конуса добавлены в конструкцию с двойным дросселем, так что геометрия конуса может помочь в образовании вихрей в отсеках. Результат был таким, как ожидалось, и конверсия составила 85,35%.

Двойной дроссель Двойной конус

Предыдущий дизайн был изменен с округлением, аналогичным предыдущему. Это привело к конверсии 86,71%

Двойное дроссельное филе с двойным конусом

Эти мои эксперименты показывают, что необходимо усовершенствовать этот архаичный дизайн (буквально, он появился в начале 90-х годов), используя определенное явление.

В настоящее время я нахожусь в процессе расчесывания двойного дросселя, двойного конуса, закругленной конструкции с двухугольными инжекторами.

22134484
источник
@Air: Спасибо за редактирование и ссылку на другой пост.
22134484
2
Не могли бы вы немного прокомментировать настройку, которую вы настроили? Используемый код, модель турбулентности, граничные условия, (не) устойчивая модель присоединения? Но что важнее, это 2D? Ваши "шишки" показывают разлуки по типу кармана. Это может произойти только на призматических структурах.
rul30
Да, некоторая информация о настройке будет хорошей здесь. Вы указали в вопросе, что оригинальный дизайн дает 60% конверсии. Вы успешно смоделировали этот результат? Если методология моделирования не может соответствовать существующим данным, она не будет хороша для разработки улучшений.
Дан
1
Нестабильность цилиндра (или в вашем случае клина) фон Кармана (Струхаля) имеет периодическое разделение потока. Разделительный пузырь «переворачивается» вверх и вниз. Теперь представьте себе конус или сферу: поскольку поток теперь осесимметричный, разделение не может перевернуться вверх и вниз (в особых случаях, которые не имеют отношения к вашему приложению, могут возникнуть осевые колебания)
rul30
1
Подробная химическая кинетика здесь может не понадобиться. Насколько я могу судить, это проблема предварительно не смешанного сгорания, которая обычно может быть смоделирована довольно хорошо с бесконечно быстрой химией (смесь сжигается). Это значительно уменьшило бы вычислительные затраты на вычисление реакции, высвободив ресурсы для использования более тонкой сетки.
Дан
1

рул30 поставь лучше всего:

По сути, идея всех этих примеров заключается в увеличении поверхности двух жидкостей. На молекулярном уровне само смешивание / диффузия может быть увеличено только путем повышения температуры. Таким образом, при заданной температуре перемешивание может быть увеличено только за счет увеличения поверхности смешивания и обеспечения возможности увеличения молекулярной массы.

Одним из способов сделать это являются статические смесители . Статический смеситель представляет собой серию лопастей, обычно спиральных, которые вставляются в трубу. Лопасти будут «резать» и поворачивать жидкость так, чтобы разные объемные элементы были в контакте.

Однако вы не сможете смоделировать один в 2D. Существуют разные типы - Helical:
Винтовой смеситель Statix
X Element:
Смеситель X Element Statix
и другие.

Выбор правильного миксера, вероятно, сам по себе является наукой, на первый взгляд, я только нашел статьи об их использовании в производстве клеев - эти миксеры часто используются в приложениях жидкость-жидкость и газ-газ. Эта страница предлагает еще один тип для применения газ-газ , тип гофрированной пластины . Статические смесители для смешивания газа и газа также используются для очистки выхлопных газов, что может стать одним из направлений дальнейших исследований.

Фотографии: Шумахер Верфаренстехник

рынок
источник
... другой путь - выясните, почему так обычно не делается.
Март
Со всем, что размещено здесь до сих пор, мы видели большее преобразование или ожидаем их по крайней мере. Я понятия не имею, почему индустрия все еще использует старый дизайн. Там были улучшения, да. Но в основном это СУЩЕСТВУЮЩИЕ печи, ограничивающие то, что можно сделать. Строительство с нуля дает больше возможностей для улучшения дизайна. Mst общие улучшения включают лучшие инжекторы, но они также примитивны в дизайне. По сути, разделение одного входа, скажем, на 10 меньших. Вот об этом.
22134484