ese6_presentazione_mp_15_4_14

Stabilit reattore CSTR e cinetiche di bassa

temperatura

Ing. Matteo Pelucchi

Principi di Combustione Esercitazione 6

2

Esercitazione 6: Stabilit CSTR

Reattore a Miscelazione Completa Assenza di gradienti allinterno del reattore

Equazioni di Bilancio Materiale

( )mii i i

dMW W RV

dt

Accumulo = (Entrata-Uscita) + (Flussi Interfasici) + (Prodotto)

idM

dt= 0 Reattori Continui

( )m

iW = 0 Reattori Omogenei

, ,i U i E iW W W

ii

dMRV

dt Reattori Batch completamete discontinuo

i iW RV Reattori CSTR o PSR omogeneo

Esercizio 1: Stabilit di un reattore CSTR


t = V/Q tempo di contatto

i iW RV Reattore CSTR omogeneo

, ,U i E i iW W RV

Nel caso di Volume (o densit) costante si ha:

, ,( )U i E i iQ c c RV , ,( )U i E i

i

c c V

R Qt

quindi

Reattore CSTR omogeneo

, , ,( )E A U A U AC C k C t 1

quindi ,

,

E A

U A

CC

k t

11

Cinetica del primo ordine

1

NR

i ij j

j

R r

4


Calcolo del coefficiente di scambio globale

Bilancio termico

( )p p in cool RdT

C V FC T T UA T T H RVdt

( ) 0steady

p in steady cool steady R

T T

dTFC T T UA T T H RV

dt

1

1 1

1

4

i

i e i

i e e

Ar r A

Uh k A h

Coordinate sferiche

5


T

Q QS

QG

Stabilit di un reattore CSTR

G A REAZQ k T C H Vol

S P IN ESTQ WC T T US T T

AB 0

1

AA

CC

kt

412 K

797 K

1729 K

S GdQ dQ

dT dT

Criterio di stabilit,

condizione necessaria

ma non sufficiente

6


Risultati

T1 = 412 K

T2 = 797 K

T3 = 1729 K

T [K] K [1/s] Ca [kmol/m3] |Qg| [kcal/s] Qs [kcal/s]

300 0 4.062E-2 0 -2.557E-01

700 2.443E-02 4.041E-02 1.552E-02 6.557E-01

1200 7.816E+04 2.445E-06 3.00 1.79

1700 3.728E+07 5.125E-09 3.00 2.93

U = 0.0407 kcal/m2/s/K

CaIN = 0.040624 kmol/m3

= 0.2128 s

7

Esercitazione 6: Cinetiche di bassa temperatura, n-pentano

Low temperature High temperature

+ O2 Oxidation

Pyrolysis

Pyrolysis

+ O2 Oxidation

T. Faravelli Numerical modeling of pollutant emissions with detailed kinetics: from ideal reactors to flames, 14th International Conference on Numerical Combustion, 2013, San Antonio, Texas

Cinetica di bassa temperatura

8


Pyrolysis Mechanism

Eterociclici

Reazioni di Branching

Decomposizione

QOOH

Meccanismo di combustione del n-pentano

9


nC5H12

nC5H11

CH3

-Decomposition

Products

+

XH

X H

+ O2

R5OO

Q5OOH

+ O2

OOQ5OOH

Degenerate

Branching Path

OQ5OOH + OH

OO

O

O H HOO

HOO

HOO

OO

HOO

O

O H

O

HOO

HO O

HOO

+ OH

10


High Temperature Mechanism

(Eapp 30000 cal/mol)

Intermediate Temperature Mechanism (Eapp 19000 cal/mol)

+ O2

OH + Cyclic Ethers

OH + RCHO + CnH2n

HO2 + nC7H14

b-Decomposition

Products

NTC

co

nve

rsio

n

Reactor Temperature

nC5H12

nC5H11

+ O2

R5OO

Q5OOH

+ O2

OOQ5OOH

Degenerate

Branching Path

OQ5OOH + OH

Isothermal PFR

11


n-heptane reaction paths at different temperature

nC H 7 16

X +

R7OO

OOQ7OOH

1.00

0.79 0.04

0.17

0.79 0.19

0.26

0.03

Q7OOH

R7 -decomposition

products

Coniugate olefins

nC H 7 16

X +

R7OO

OOQ7OOH

OQ7OOH

Eterocycles

branching products

1.00

0.98 0.02

0.00

0.98 0.01

0.14

0.03 0.80

0.75 0.05

2 + HO

Q7OOH

R7

0.63

0.31

0.03

0.03

T = 620 K

Conversion 54.5 %

T = 820 K

Conversion 77.6 %

OQ7OOH

-decomposition

products

-decomposition

products

Coniugate olefins

Eterocycles

-decomposition

products

branching products

12


13


Rapid Compression Machine Shock Tube Sistema chiuso Adiabatico

Reattore Discontinuo Sistema chiuso Non adiabatico

Reattore Continuo a Getti Sistema aperto Non adiabatico

tempo

Conv. T

tempo

Conv.

Conv.

T

T

UT

UT

Fiamme fredde e meccanismi di alta e bassa temperatura

14


Fieweger et al, Combustion and Flame, 1997

Buda et al., Combustion and Flame, 2005

% n-heptane

Pressure

15


Esercizio 2: Diagramma di esplosione n-C5H12/aria

Kinetic

Scheme

PSR input file

Output Files

OpenSMOKE_PSR.exe

Inlet Stream

input file

16


PSR input file

Non-isotermo

T cooler Heat exchange coefficient

17


Inlet Stream input file

Tin

Mixture

OpenSMOKE_PSR_xe2011_32bit_release.exe --kinetics "Pentane_Kinetics" --input "PSR_600.inp" --inlet

"InletStream600.inp" --output "output600"

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T=600 K

Sistema spento

Risultati: T vs Time [s]

T=650 K

Cool Flames

T=700 K

Cool Flames

T=725 K

Cool Flames

19


Risultati: T vs Time [s]

800 K 850 K

900 K

950 K

1000 K

T=800-950 K

Sistema spento

T=1000 K

Hot Ignition

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Temperatura e reattivit del sistema

T=650K alzo la reattivit dei radicali perossidici:

il salto di temperatura 180 K

Scambio termico efficace tale da ottenere una bassa

temperatura e nuova reattivit del

sistema

T=725K la reattivit della miscela viene ridotta per

linstaurarsi di reazioni parallele a quelle di branching

Scambio termico meno efficace, temperature del sistema

pi alte sfavorendo la successiva

conversione. Il sistema

si smorza

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Risultati: ROO vs Time

Tem

pe

ratu

re

RO

O m

ole

fra

cti

on

22


Risultati: ROO vs Time

Tem

pe

ratu

re

RO

O m

ole

fra

cti

on

23


Risultati: Temperatura vs Conversione

T=650 K

Cool lames

24


T=725 K

Cool Flames


25


T=1000 K

Hot Ignition


26


Risultati: Diagramma di esplosione

p=2 atm

NTC

Hot

Ignition

27


Risultati: Diagramma di esplosione

p=2 atm

Cool Flames

NTC

Hot

Ignition

28


Effetto Pressione

T=650 K

p= 2 atm

T=650 K

p= 6 atm

Ignizione

a 2 stadi

29


Effetto Pressione

500

600

700

800

0 0.2 0.4 0.6

P atm

SLOW

COMBUSTION

IGNITION

COOL FLAMES

500

600

700

800

time

T T=100-200 K

C : Cool Flames

time

T

T>1000 K

B D: Hot Ignition

UT

t

B

D

A

C

t

Explosion Diagram of C3H8/O2

30


Effetto Coefficiente di scambio

U=41 W/m2/K

U=167.4 W/m2/K

U=320 W/m2/K

Tin=725 K

31


Effetto Coefficiente di scambio

T

Q

QS

QG NTC

U1 >U2 U1

U2

La curva del calore generato ha una regione con derivata negativa (NTC).

Ci possono essere fino a 5 soluzioni, 3 stabili e due instabili.

Il cambiamento di U influisce sulla pendenza della retta Qs.

S P IN ESTQ WC T T US T T

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