Memanfaatkan dinamika fluida untuk desain optimal untuk pencampuran gas dalam tungku

Latar Belakang

Ini adalah desain standar untuk tungku termal yang digunakan dalam proses Clauss, yang mengubah H ₂ S menjadi SO ₂ . Masalah utama dengan tungku adalah bahwa pencampuran gas agak buruk dan hanya menghasilkan tingkat konversi 60%. Ini pada gilirannya meningkatkan biaya peralatan hilir untuk menangani kotoran. Desain yang meningkatkan pencampuran gas sangat dicari.

H ₂ S dan O ₂ dimasukkan secara terpisah ke dalam reaktor. Reaksi pembakaran dimulai dan meningkatkan suhu sekitar 1400 ° C. Titik choke di tengah reaktor ada di sana untuk memaksa gas agar bercampur lebih baik di kedua sisi itu.

Apa yang telah saya lakukan sejauh ini

Saya memiliki modifikasi desain pada injektor yang memungkinkan pencampuran yang jauh lebih besar, dengan inspirasi yang diambil dari injektor bahan bakar di kendaraan bermotor.

Saya tidak memasukkan titik choke dalam gambar ini. Itu hanya dilakukan untuk menguji validitas konsep.

Injektor bersudut dua kali memberikan kecepatan horizontal maupun radial ke gas saluran masuk. Ini menyebabkan efek putaran pada fluida, meningkatkan pencampuran sekitar 60%. Pencampuran di sini didefinisikan sebagai homogenitas dari distribusi produk outlet.

Keuntungannya dua kali lipat: Partikel gas perlu bergerak lebih jauh karena berputar-putar, menambah waktu mereka tinggal di reaktor. Dengan demikian, konversi yang lebih besar juga dicapai, atau dilihat dari perspektif yang berbeda, diperlukan reaktor yang lebih kecil untuk mencapai konversi yang sama dengan unit standar, yang secara dramatis mengurangi biaya.

Pertanyaan

Saya ingin memanfaatkan fenomena dinamika fluida tertentu untuk meningkatkan pencampuran. Formasi Eddy, misalnya, digunakan di bagian tersedak. Apa lagi yang bisa dilakukan untuk meningkatkan pencampuran? Fitur apa yang bisa ditambahkan / dihapus?

PS: Jelaskan desain yang Anda usulkan dengan kata-kata, tidak perlu pemodelan yang sebenarnya.
Tentu saja, itu akan membantu saya untuk melihat ide itu, tetapi itu tidak perlu.

Saya memiliki akses ke Fasih di mana saya mensimulasikan desain ini dan membandingkannya dengan unit standar.

Saya masih ingin melihat apa yang dapat Anda lakukan.

Sejauh yang saya mengerti pertanyaan Anda, Anda sedang mencari cara untuk meredakan / mencampur dua gas satu sama lain. Proses ini sangat sulit untuk disimulasikan "dengan benar" karena karakteristik persamaan. Namun, sangat tidak mungkin bahwa Anda akan memiliki pencampuran yang lebih buruk daripada yang diperkirakan karena model biasanya meremehkan proses pencampuran turbulen. Masalah terbesar Anda bisa berupa kehilangan tekanan yang terhubung ke pencampuran turbulen tergantung pada tekanan operasi sistem Anda.

Hal yang baik adalah mencampur dibutuhkan dalam banyak aplikasi mungkin Anda bisa mendapatkan beberapa ide:

NASA menyelidiki banyak proses pencampuran pelampiasan untuk ruang pembakaran cair-cair:

GE, Pratt, dan Rolls-Royce telah menyelidiki cara paling efisien untuk memadukan bypass dan core-flow dari mesin jet mereka:

Dan akhirnya pabrikan turbin gas terbang dan stasioner telah bereksperimen banyak untuk menghasilkan cara yang sangat efisien (cepat) untuk mencampur udara dan bahan bakar:

Pada dasarnya, ide di balik semua contoh adalah untuk meningkatkan permukaan dua cairan. Pada tingkat molekuler pencampuran / difusi itu sendiri hanya dapat ditingkatkan dengan meningkatkan suhu. Jadi pada suhu tertentu pencampuran hanya dapat ditingkatkan dengan meningkatkan permukaan pencampuran dan membiarkan molekul terjadi pada skala yang lebih besar.

Namun, terutama lapisan geser dan aliran yang berputar-putar yang digunakan dalam contoh terakhir sangat sulit untuk disimulasikan karena model turbulensi sering tidak menangkap fisika dengan cukup baik.

Ringkasan atau komentar singkat untuk pertanyaan Anda:

Saya ingin memanfaatkan fenomena dinamika fluida tertentu untuk meningkatkan pencampuran.

Hanya ada satu fenomena dasar pencampuran dan itu adalah difusi. Untuk meningkatkan pencampuran sambil memiliki difusi konstan adalah dengan meningkatkan pencampuran-permukaan-daerah yang dilakukan paling efisien dengan memutar-mutar lapisan geser.

Hasil awal

Saya menambahkan struktur kerucut sebelum titik tersedak untuk memisahkan aliran. Pada dasarnya memotong cairan. Kerucut ini dilampirkan dengan 4 dukungan. Konfigurasi ini meningkatkan pencampuran dengan jumlah yang konyol. Saya mencapai distribusi produk linier dekat. Namun, saya belum menjalankan analisis suhu atau struktural pada kerucut ini untuk memvalidasi apakah bisa tahan suhu atau beban yang diterapkan padanya. Kerucut ini ditambahkan ke struktur standar. Analisis lebih lanjut harus dilakukan dengan kerucut dan injektor dua kali miring.

Dinding sinusoidal ditambahkan ke tungku untuk membantu pembentukan Eddy pada batas. Ini meningkatkan linearitas distribusi produk, tetapi menurunkan tingkat konversi, yang saya tidak mengerti saat ini.

Untuk membantu dalam proses pemodelan, reaksi yang lebih sederhana digunakan. Benzene dan oksigen dimasukkan ke dalam reaktor pada 600 Kelvin.

Legenda dari semua gambar berikut berkisar dari 0% (jelas) hingga 100% (merah). Semua skenario yang dijalankan, menggunakan kondisi operasi yang persis sama dan panjang keseluruhan reaktor tetap konstan.

Konversi yang dihasilkan terlihat sebagai berikut:

Konversi rata-rata yang dihasilkan di outlet ditemukan menjadi 40,09%.

Dengan penambahan struktur kerucut, konversi meningkat menjadi 43,43% dan terlihat sebagai berikut:

Peningkatan besar dalam konversi terlihat ketika dua choke point ditambahkan. Konversi yang ditemukan: 78,46%. Yang hampir dua kali lipat dibandingkan dengan reaktor standar.

Iterasi berikutnya, melibatkan penambahan fitur bulat ke reaktor. Ini menghasilkan konversi akhir sebesar 78,57%, yang bukan merupakan peningkatan besar dengan ukuran apa pun. Tapi, itu bisa dilakukan dengan murah.

Dua kerucut di mana ditambahkan ke dalam desain choke ganda sehingga geometri kerucut dapat membantu dalam pembentukan eddy di kompartemen. Hasilnya seperti yang diharapkan, dan konversi 85,35% ditemukan.

Desain sebelumnya dimodifikasi dengan pembulatan yang mirip dengan desain sebelumnya. Ini menghasilkan konversi 86,71%

Eksperimen-eksperimen tambang ini menunjukkan bahwa ada perbaikan yang harus dilakukan pada desain kuno ini (secara harfiah, itu berasal dari awal 90-an) dengan memanfaatkan fenomena tertentu.

Saat ini saya sedang dalam proses menyisir desain tersedak ganda, kerucut ganda, bulat dengan injektor dua kali miring.

Rule30 terbaik:

Pada dasarnya, ide di balik semua contoh adalah untuk meningkatkan permukaan dua cairan. Pada tingkat molekuler pencampuran / difusi itu sendiri hanya dapat ditingkatkan dengan meningkatkan suhu. Jadi pada suhu tertentu pencampuran hanya dapat ditingkatkan dengan meningkatkan permukaan pencampuran dan membiarkan molekul terjadi pada skala yang lebih besar.

Salah satu cara untuk melakukan ini adalah mixer statis . Mixer statis adalah serangkaian bilah, biasanya heliks, yang dimasukkan ke dalam pipa. Pisau akan 'memotong' dan membalikkan fluida sehingga elemen volume yang berbeda bersentuhan.

Namun, Anda tidak akan dapat memodelkannya dalam 2D. Ada berbagai jenis - Helical:

X Element:

dan lainnya.

Memilih mixer yang tepat mungkin adalah ilmu itu sendiri, pada pandangan pertama saya hanya menemukan artikel tentang penggunaannya dalam produksi perekat - mixer ini sering digunakan dalam aplikasi cair-cair dan cair-gas. Halaman ini menyarankan tipe lain untuk aplikasi gas-gas , tipe pelat bergelombang . Mixer statis untuk pencampuran gas-gas juga digunakan dalam pengolahan gas buang, ini bisa menjadi salah satu jalan penelitian lebih lanjut.

Gambar: Schumacher Verfahrenstechnik