Khai thác động lực học chất lỏng cho thiết kế tối ưu để trộn khí trong lò

Lý lịch

Đây là thiết kế tiêu chuẩn cho một lò nhiệt được sử dụng trong quy trình Clauss, giúp chuyển đổi H ₂ S thành SO ₂ . Vấn đề chính với lò là việc trộn khí khá kém và chỉ mang lại tỷ lệ chuyển đổi 60%. Điều này lần lượt làm tăng chi phí thiết bị hạ lưu để xử lý các tạp chất. Một thiết kế cải thiện sự pha trộn của các khí được tìm kiếm rất cao.

H ₂ S và O ₂ được đưa riêng vào lò phản ứng. Phản ứng đốt cháy bắt đầu và tăng nhiệt độ lên khoảng 1400 ° C. Điểm sặc ở trung tâm lò phản ứng là ở đó để buộc các khí trộn tốt hơn ở hai bên của nó.

Những gì tôi đã làm cho đến nay

Tôi có một sửa đổi thiết kế trên kim phun cho phép trộn nhiều hơn, với cảm hứng lấy từ kim phun nhiên liệu trong xe cơ giới.

Tôi không bao gồm điểm sặc trong bản vẽ này. Nó chỉ được thực hiện để kiểm tra tính hợp lệ của khái niệm này.

Các kim phun hai góc cung cấp tốc độ ngang cũng như hướng tâm cho các khí đầu vào. Điều này gây ra hiệu ứng xoáy trên chất lỏng, cải thiện việc trộn khoảng 60%. Trộn ở đây được định nghĩa là sự đồng nhất của phân phối sản phẩm đầu ra.

Ưu điểm là hai lần: Các hạt khí cần phải di chuyển xa hơn do xoáy, làm tăng thời gian chúng ở trong lò phản ứng. Do đó, một chuyển đổi lớn hơn cũng đạt được, hoặc nhìn từ một khía cạnh khác, một lò phản ứng nhỏ hơn là cần thiết để đạt được chuyển đổi tương tự như đơn vị tiêu chuẩn, giảm đáng kể chi phí.

Câu hỏi

Tôi muốn khai thác một số hiện tượng động lực học chất lỏng để cải thiện khi trộn. Sự hình thành xoáy, ví dụ, được sử dụng trong phần nghẹt thở. Những gì khác có thể được thực hiện để cải thiện trộn? Những tính năng có thể được thêm / xóa?

PS: Giải thích thiết kế đề xuất của bạn bằng lời, không cần mô hình thực tế.
Tất nhiên, nó sẽ giúp tôi thấy ý tưởng, nhưng nó không cần thiết.

Tôi có quyền truy cập vào Fluent trong đó tôi mô phỏng các thiết kế này và so sánh chúng với đơn vị tiêu chuẩn.

Tôi vẫn háo hức để xem những gì bạn có thể đến với.

Theo như tôi hiểu câu hỏi của bạn, bạn đang tìm cách để khuếch tán / trộn hai khí vào nhau. Quá trình này rất khó để mô phỏng "chính xác" vì các đặc điểm của phương trình. Tuy nhiên, rất có thể bạn sẽ có một sự pha trộn tồi tệ hơn dự đoán bởi vì các mô hình thường đánh giá thấp các quá trình trộn hỗn loạn. Vấn đề lớn nhất của bạn có thể là tổn thất áp suất liên quan đến sự pha trộn hỗn loạn tùy thuộc vào áp suất vận hành của hệ thống của bạn.

Điều tốt là trộn là cần thiết trong rất nhiều ứng dụng, bạn có thể có một số ý tưởng:

NASA đã điều tra rất nhiều quy trình trộn impingement cho buồng đốt chất lỏng-lỏng của họ:

GE, Pratt và Rolls-Royce đã nghiên cứu cách hiệu quả nhất để trộn đường tránh và dòng chảy lõi của động cơ phản lực của họ:

Và cuối cùng các nhà sản xuất tuabin khí bay và đứng yên đã thử nghiệm rất nhiều để đưa ra một cách rất hiệu quả (nhanh chóng) để trộn không khí và nhiên liệu:

Về cơ bản, ý tưởng đằng sau tất cả các ví dụ là tăng bề mặt của hai chất lỏng. Ở cấp độ phân tử, bản thân sự pha trộn / khuếch tán chỉ có thể được tăng lên bằng cách tăng nhiệt độ. Vì vậy, ở một nhiệt độ nhất định, chỉ có thể tăng lên bằng cách tăng bề mặt trộn và để phân tử xảy ra ở quy mô lớn hơn.

Tuy nhiên, đặc biệt là các lớp cắt và dòng chảy xoáy được sử dụng trong ví dụ trước rất khó mô phỏng vì các mô hình nhiễu loạn thường không thu được vật lý đủ tốt.

Một bản tóm tắt ngắn hoặc nhận xét cho câu hỏi của bạn:

Tôi muốn khai thác một số hiện tượng động lực học chất lỏng để cải thiện khi trộn.

Chỉ có một hiện tượng cơ bản của pha trộn và đó là khuếch tán. Để tăng sự pha trộn trong khi có sự khuếch tán không đổi là bằng cách tăng diện tích bề mặt trộn được thực hiện hiệu quả nhất bằng các lớp cắt xoáy.

Kết quả kỳ thi vào trường

Tôi đã thêm một cấu trúc hình nón trước điểm nghẹt để phân tách dòng chảy. Về cơ bản cắt chất lỏng. Hình nón này được gắn với 4 giá đỡ. Cấu hình này tăng trộn bởi một số lượng vô lý. Tôi đã đạt được một phân phối sản phẩm gần tuyến tính. Tuy nhiên, tôi không chạy nhiệt độ hoặc phân tích cấu trúc trên hình nón này để xác nhận xem có thể chịu được nhiệt độ hoặc tải áp dụng cho nó hay không. Hình nón này đã được thêm vào cấu trúc tiêu chuẩn. Phân tích sâu hơn nên được thực hiện với hình nón và hai lần tiêm góc.

Một bức tường hình sin đã được thêm vào lò để hỗ trợ cho sự hình thành Eddy trên các ranh giới. Điều này làm tăng tính tuyến tính của phân phối sản phẩm, nhưng giảm tỷ lệ chuyển đổi, điều mà hiện tại tôi không hiểu.

Để hỗ trợ quá trình mô hình hóa, một phản ứng đơn giản hơn được sử dụng. Benzen và oxy được đưa vào lò phản ứng ở 600 Kelvin.

Truyền thuyết tắt tất cả các hình ảnh sau nằm trong khoảng từ 0% (rõ ràng) đến 100% (màu đỏ). Tất cả các kịch bản đã được chạy, được sử dụng chính xác cùng một điều kiện hoạt động và chiều dài tổng thể của các lò phản ứng không đổi.

Việc chuyển đổi kết quả trông như sau:

Tỷ lệ chuyển đổi trung bình tại cửa hàng được tìm thấy là 40,09%.

Với việc bổ sung cấu trúc hình nón, chuyển đổi tăng lên 43,43% và trông như sau:

Một cải tiến lớn trong chuyển đổi đã được nhìn thấy khi hai điểm sặc được thêm vào. Chuyển đổi đã được tìm thấy: 78,46%. Đó là gần gấp đôi so với lò phản ứng tiêu chuẩn.

Lặp lại tiếp theo, liên quan đến việc thêm các tính năng làm tròn cho lò phản ứng. Điều này dẫn đến một chuyển đổi cuối cùng là 78,57%, đây không phải là mức tăng lớn theo bất kỳ biện pháp nào. Nhưng, nó có thể được thực hiện với giá rẻ.

Hai hình nón được thêm vào trong thiết kế cuộn cảm kép sao cho hình dạng của hình nón có thể hỗ trợ cho việc hình thành xoáy trong các ngăn. Kết quả đã được mong đợi và chuyển đổi 85,35% đã được tìm thấy.

Thiết kế trước đó đã được sửa đổi với làm tròn tương tự như thiết kế trước đó. Điều này dẫn đến việc chuyển đổi 86,71%

Những thí nghiệm này của tôi cho thấy rằng có những cải tiến được thực hiện cho thiết kế cổ xưa này (theo nghĩa đen, nó đến từ đầu những năm 90) bằng cách khai thác một số hiện tượng nhất định.

Tôi hiện đang trong quá trình chải choke đôi, hình nón đôi, thiết kế tròn với kim phun hai góc.

rul30 đặt nó tốt nhất:

Về cơ bản, ý tưởng đằng sau tất cả các ví dụ là tăng bề mặt của hai chất lỏng. Ở cấp độ phân tử, bản thân sự pha trộn / khuếch tán chỉ có thể được tăng lên bằng cách tăng nhiệt độ. Vì vậy, ở một nhiệt độ nhất định, chỉ có thể tăng lên bằng cách tăng bề mặt trộn và để phân tử xảy ra ở quy mô lớn hơn.

Một cách để làm điều này là máy trộn tĩnh . Một máy trộn tĩnh là một loạt các lưỡi dao, điển hình là xoắn ốc, được chèn vào một đường ống. Các lưỡi dao sẽ 'cắt' và xoay chất lỏng để các phần tử âm lượng khác nhau tiếp xúc.

Tuy nhiên, bạn sẽ không thể tạo mô hình một trong 2D. Có nhiều loại khác nhau - Helical:

X Element:

và các loại khác.

Chọn máy trộn phù hợp có lẽ là một môn khoa học, thoạt nhìn tôi chỉ thấy các bài viết về việc sử dụng chúng trong sản xuất chất kết dính - những máy trộn này thường được sử dụng trong ứng dụng lỏng-lỏng và lỏng-khí. Trang này tư vấn cho một loại khác cho ứng dụng gas-gas , một loại tấm tôn . Máy trộn tĩnh để trộn khí-khí cũng được sử dụng trong xử lý khí thải, đây có thể là một con đường nghiên cứu tiếp theo.

Hình ảnh: Schumacher Verfahrenstechnik