MODELACIÓN DE LA COMBUSTIÓN DE GASES COMBUSTIBLES

MODELACIÓN DE LA COMBUSTIÓN DE GASES COMBUSTIBLES

Tesis de Grado

Maestría en Sistemas Energéticos

Director

FARID CHEJNE JANNA PhD

Ingeniero Mecánico y Físico

UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA

JULIO 2000

DERROTERO DE TRABAJO

• Conceptos Básicos

• Química de la Combustión

• Modelo de Transporte

• Conclusiones

OBJETIVO GENERALOBJETIVO GENERAL

Determinar teóricamente los perfiles de temperatura de llama, de concentración de especies y de velocidad durante la combustión del gas natural.

CONCEPTOS BÁSICOSCONCEPTOS BÁSICOS

Combustión

La combustión es la oxidación rápida de las sustancias orgánicas (generalmente combustibles) con una gran liberación de calor

CONTINUACIÓNCONTINUACIÓN

Llama Región del espacio, delimitada por la existencia

de una reacción química instantánea donde se emite luz en el espectro visible. Su régimen puede ser turbulento o laminar.

Velocidad de llama Es la velocidad a la cual se propaga el frente de

reacción en una llama.

UI

x

V Ix

fI

x

Donde

I r

x

r

d

d

x

u

u

f

u D

3

41

4

3

81

41

4

3

41

4

3

8

3

8

2 2

1 2 2 2 2

2 2

1 2

0

00

/

/

* * *

Re

Unidimensional

Bidimensional

Tridimensionl

Espacialmente

Premezclada Difusivas

Mezcla Inicial

Laminar Turbulento

Flujo

Análisis Físico

Estado Transitorio Estado Estacionario

Análisis Temporal

Estado Cuasi EstableVeloc. de Formación Iguales alas Velocidades de Consumo

Equilibrio ParcialVelocidades Directas e

inversas Iguales

Análisis Químico

Clasificación de la Combustión

LLAMAS PREMEZCLADASLLAMAS PREMEZCLADAS

En 1855 Bunsen implementa el primer laboratorio para el estudio de llamas premezcladas

Gases quemador

Zona luminosa

Zona oscura

Aire

Llama cónica premezclada

Limite zona de difusión

Líneas de flujo

Anillo de control

Cilíndro

Entrada combustible

Aire primario

Orificio combustible

CHORROS GASEOSOSCHORROS GASEOSOS

r

x


IsovelocidadesIsoconcentracionesIsotermas.

x

rAumento

QUÍMICA DE LA COMBUSTIÓNQUÍMICA DE LA COMBUSTIÓN

ANÁLISIS DE MECANISMOSANÁLISIS DE MECANISMOS

Análisis de SensibilidadAnálisis de Sensibilidad

Consiste en perturbar las condiciones iniciales de los reactantes.

Las reacciones más sensibles son aquellas en las cuales se presenta una mayor fluctuación en la composición de los productos.


Análisis de Flujo de Reacciones.Análisis de Flujo de Reacciones.

Se observa la composición de los productos y la participación porcentual de cada una de las reacciones en la formación de cada especie.

CONTINUACIÓNCONTINUACIÓNESPECIES

RXN S1 S2 - S-1 S

1 10 100 20

2 50 50 60 100

- 40 50 20

N 0

ANÁLISIS MECANISMO DE ANÁLISIS MECANISMO DE REACCIÓN METANOREACCIÓN METANO

MECANISMO COMPLEJO INICIAL

150 REACCIONES QUÍMICAS, 25 GRUPOS LAS ESPECIES:

CHCH44, C, C22HH66, CO, H, CO, H22OO, Y LOS RADICALES: CHCH33, OH, H, OH, H.


EL MECANISMO “SIMPLIFICADO” INICIAL.A,

B,

C,

D,

E,

F,

G.

A

C

D

B

E

F

G

H

I

J

K

L

M

N

Ñ

O

Consumo MetanoConsumo Metano 11 11

CHOCHO

HH22OO

HH

OHOH

H H

H H

CHCH22OO

CHCH22OO

OHOH

CHCH33OO

HH

CHOCHO

CHCH4 4

HH2 2

CHO CHO

OH OH

CHOCHO

HH22 O O

CHCH22O O

HH2 2

CHCH22O O

CHCH33O O

OO22

CHCH33

H H

O O

OHOH

HH

OHOH

O O

OO

OO2 2

OHOH

HH2 2

CHCH33

OH OH

CHCH33

HH

O O

CHCH4 4

CHOCHO

CHOCHO

OO22

HH

OO

OHOH

CHCH22O O

CO CO

CO CO

HOHO2 2

CO CO

HH2 2

OHOH

CO CO

CO CO

HH22O O

OHOH

HOHO2 2

OO2 2

COCO2 2

H H

COCO2 2

OH OH

COCO2 2

O O

H H

OHOH

HH

OH OH

OH OH

HH22O O

OO2 2

HH22O O

OO22

HOHO22

HH

OO2 2

CHO CHO HOHO22

CHCH22O O

HH22O O

17

1

14

15

13

2 17

11

1

11

11

15

13

2

13

1

13

13

4

4

2

4

4

4

2

2

1

3

2

1

5

3

6

5

1

2

3

1

1

2

4

6

5

1

2

4

1

2

1

5

3

Nodo 1Nodo 1

Nodo 3 Nodo 3

Nodo 2Nodo 2

Mecanismo Formación y Destrucción CMecanismo Formación y Destrucción C22HH66

H H O O

OH OH

CHCH33

OHOH

H H

H H

HH2 2

CC22HH4 4

OO22

CC22HH4 4

H H

OHOH

O O

O O

OO2 2

OHOH

HH2 2

CC2 2 HH4 4

CC2 2 HH6 6

CHCH33

CHCH33

CHCH33

H H

CHOCHO

O O

HH22 OH OH

HH2 2 O O O O

CHO CHO

HOHO22

HOHO2 2

OO2 2

CC2 2 HH2 2

HH2 2

OH OH

HH22OO

Nodo 3 Nodo 3

CC2 2 HH33

CC2 2 HH3 3

CC2 2 HH55

HH22

CC2 2 HH55

HH22O O

CC2 2 HH55

HOHO22

CC2 2 HH55

HH

HOHO22

CC HH3 3

CC HH3 3

OO

CHCH22O O

CHCH33

OH OH

CC2 2 HH3 3

CC2 2 HH3 3

CHCH3 3

H H

CC2 2 HH2 2

CC2 2 HH2 2

CC2 2 HH2 2

CH CH 2 2

CC OO

CC O O

CHCH22 OO2 2

CC OO

OH OH

H H

Viene

ANÁLISIS CINÉTICOANÁLISIS CINÉTICO

Se Observan Los Mayores Valores De Los Coeficientes Cinéticos, Los Cuales Son Calculados Como:

Kcin=A*Tb*[-Ea/RT]

ANÁLISIS DE EQUILIBRIO ANÁLISIS DE EQUILIBRIO QUÍMICOQUÍMICO

Se Calculan Las Cantidades Presentes En El Equilibrio Para Cada Grupo De Reacciones, Con Diferentes Valores De Temperatura.

Se Escogen Aquellas Reacciones Que Formen Mayor Cantidad De Compuesto.


0 1000 2000 3000 4000 50000.0

0.5

1.0

1.5

2.0

Reacciones del Grupo E1 (31,32)

mol

C

T

C2H6(g)C2H4(g)

H2(g)

CH3(g)


0 1000 2000 3000 4000 50000.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

Cadena CH3 hasta el C2H4

mol

C

T

File: C:\AREAEN~1\RAUL\TESIS\CADEC2H4.OGI

O(g)CH3(g)H2O(g)C2H4(g)OH(g)O2(g)C2H5(g)C2H6(g)

SELECCIÓNSELECCIÓN

MECANISMO COMPLEJO

RXN 1

RXN 2

RXN I

RXN N

CINETICA SELECCIÓN

RXN I-1

EQUILIBRIO

RXN 1

RXN 2

RXN I-1

RXN I

RXN N

MASA, Ea

RESULTADOSRESULTADOS

MECANISMO PROPUESTOMECANISMO PROPUESTOReacción Especies

1 O2 +H =OH +O2 H2 +O =OH +H3 H2 +OH =H2O +H4 OH +OH =H2O +O5 HO2 +H =OH +OH6 HO2 +H =H2 +O27 HO2 +H =H2O +O8 HO2 +O =OH +O29 HO2 +OH =H2O +O210 HO2 +HO2 =H2O2 +O211 H2O2 +H =H2 +HO212 H2O2 +H =H2O +OH13 CH2 +H2 =CH3 +H14 H2O2 +OH =H2O +HO215 CO +OH =CO2 +H16 CO +HO2 =CO2 +OH17 CO +O2 =CO2 +O18 CH2O +OH =HCO +H2O19 CH2O +H =HCO +H220 HCO +OH =CO +H2O21 CH3 +O =CH2O +H22 CH3 +O2 -CH2O +OH23 CH3 +CH3 -C2H4 +H224 CH3 +CH3 =C2H6 +25 CH4 +O =OH +CH326 C2H2 +O =CH2 +CO27 C2H3 +OH =C2H2 +H2O28 C2H4 +OH =C2H3 +H2O29 C2H5 +O2 =C2H4 +HO230 C2H6 +O =C2H5 +OH31 C2H6 +OH =C2H5 +H2O

Consumo MetanoConsumo Metano CHOCHO

HH22OO

HH

OHOH

H H

H H

CHCH22OO

CHCH22OO

OHOH

CHCH33OO

HH

CHOCHO

CHCH4 4

HH2 2

CHO CHO

OH OH

CHOCHO

HH22 O O

CHCH22O O

HH2 2

CHCH22O O

CHCH33O O

OO22

CHCH33

H H

O O

OHOH

HH

OHOH

O O

OO

OO2 2

OHOH

HH2 2

CHCH33

OH OH

CHCH33

HH

O O

CHCH4 4

CHOCHO

CHOCHO

OO22

HH

OO

OHOH

CHCH22O O

CO CO

CO CO

HOHO2 2

CO CO

HH2 2

OHOH

CO CO

CO CO

HH22O O

OHOH

HOHO2 2

OO2 2

COCO2 2

H H

COCO2 2

OH OH

COCO2 2

O O

H H

OHOH

HH

OH OH

OH OH

HH22O O

OO2 2

HH22O O

OO22

HOHO22

HH

OO2 2

CHO CHO HOHO22

CHCH22O O

HH22O O

17

1

14

15

13

11

2

11

17

11

1

11

11

15

13

2

13

1

13

13

4

4

2

4

4

4

2

2

1

3

2

1

5

3

6

5

1

2

3

1

1

2

4

6

5

1

2

4

1

2

1

5

3

Nodo 1Nodo 1

Nodo 3 Nodo 3

Nodo 2Nodo 2

Mecanismo Formación y Destrucción CMecanismo Formación y Destrucción C22HH66

H H O O

OH OH

CHCH33

OHOH

H H

H H

HH2 2

CC22HH4 4

OO22

CC22HH4 4

H H

OHOH

O O

O O

OO2 2

OHOH

HH2 2

CC2 2 HH4 4

CC2 2 HH6 6

CHCH33

CHCH33

CHCH33

H H

CHOCHO

O O

HH22 OH OH

HH2 2 O O O O

CHO CHO

HOHO22

HOHO2 2

OO2 2

CC2 2 HH2 2

HH2 2

OH OH

HH22OO

Nodo 3 Nodo 3

CC2 2 HH33

CC2 2 HH3 3

CC2 2 HH55

HH22

CC2 2 HH55

HH22O O

CC2 2 HH55

HOHO22

CC2 2 HH55

HH

HOHO22

CC HH3 3

CC HH3 3

OO

CHCH22O O

CHCH33

OH OH

CC2 2 HH3 3

CC2 2 HH3 3

CHCH3 3

H H

CC2 2 HH2 2

CC2 2 HH2 2

CC2 2 HH2 2

CH CH 2 2

CC OO

CC O O

CHCH22 OO2 2

CC OO

OH OH

H H

Viene


CHCH3 3

CHCH4 4

..HH

CHCH3 3

CHCH22O O

CHO CHO

CO CO

..CHCH3 3

CHCH3 3

CHCH3 3

..HH

..OO

..H,O,OHH,O,OH

..H,CH,C22,H,H

CC2 2 HH55

CC2 2 HH6 6

CC2 2 HH4 4

CC2 2 HH3 3

CC2 2 HH2 2 CHCH2 2 COCO CHCH3 3

CHCH2 2 CHO CHO

CHCH3 3 CHOCHO CHCH3 3 CO CO

..HH

..HH

..H , OHH , OH ..H,O,OHH,O,OH

..OO ..H,O,OHH,O,OH ..HH

..H,OH,O2 2

..O,OHO,OH

..OO

..HH..OHOH

CHCH3 3

CHCH44

..HH

CHCH3 3

CHCH22O O

CHO CHO

CO CO

..CHCH3 3

CHCH3 3

CHCH3 3

..HH

..OO

..H,OH,O22,H,H

..H,O,OHH,O,OH

CC2 2 HH55

CC2 2 HH6 6

CC2 2 HH4 4

CC2 2 HH3 3

CC2 2 HH2 2 CHCH2 2 COCO CHCH3 3

CHCH3 3 , CH, CH2 2 ,CHO ,CHO

CHCH3 3 CHOCHO CHCH3 3 CO CO

..HH

..HH

..H , O , OHH , O , OH ..H , O , OHH , O , OH

..OO ..H ,O , OHH ,O , OH ..HH

..H , OH , O2 2

..O , OHO , OH

..OO

..HH..OHOH

CC HH2 2

CO,COCO,CO2 2

CC HH

COCO

..O,OO,O22 ..O,OO,O22

CHCH22O,O, H HCOCO

..OHOH


EVOLUCIÓN PASO A PASO DEL EVOLUCIÓN PASO A PASO DEL MECANISMO PLANTEADOMECANISMO PLANTEADO

EVOLUCIÓN MECANISMO CH4EVOLUCIÓN MECANISMO CH4

0 200 400 600 800 1000 1200 14000.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

Reacción 2

mol

C

T

File: C:\AREAEN~1\RAUL\TESIS\RXN21.OGI

CH3(g)

OH(g)

CH4(g)

O(g)


0 1000 2000 3000 4000 50000.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

Cadena de Metano Hasta CH2O

mol

C

T

File: C:\AREAEN~1\RAUL\TESIS\CADMCH20.OGI

OH(g)

CH4(g)CH3(g)

O2(g)

H2CO(g)

O(g)


0 1000 2000 3000 4000 50000.0

0.5

1.0

1.5

2.0

Cadena de Metano Hasta formar CHO

mol

C

T

File: C:\AREAEN~1\RAUL\TESIS\CADMCHO.OGI

H2(g)

CHO(g)

H2CO(g)

CH4(g)

H2O(g)

CH3(g) O(g)OH(g) O2(g)


0 1000 2000 3000 4000 50000.0

0.5

1.0

1.5

2.0

Cadena de Metano Hasta formar CO

mol

C

T

File: C:\AREAEN~1\RAUL\TESIS\CADMCO.OGI

H2(g)

CO(g)

CH4(g)

H2O(g)

CH3(g) O(g) CHO(g) OH(g) H2CO(g) O2(g)


0 1000 2000 3000 4000 50000.0

0.5

1.0

1.5

2.0

Cadena de Metano Hasta formar CO2

mol

C

T

File: C:\AREAEN~1\RAUL\TESIS\CADMCO2.OGI

H2(g)

CO(g)

CH4(g)

H2O(g)

CO2(g)CH3(g) O(g) CHO(g) OH(g)H2CO(g)O2(g) HO2(g)

OXIGENO ESTEQUIOMÉTRICOOXIGENO ESTEQUIOMÉTRICO

0 1000 2000 3000 4000 50000.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

Cadena de Metano Hasta formar CO2

mol

C

T

O(g)

H2O(g)

H2(g)

CO2(g) CO(g)

OH(g)

O2(g)

HO2(g)CHO(g)H2CO(g)CH3(g)CH4(g)

EVALUACIÓN DEL SISTEMA A EVALUACIÓN DEL SISTEMA A DIFERENTES TEMPERATURASDIFERENTES TEMPERATURAS

3”0”-500°C3”0”-500°C

0,0380,038

0,96210,9621 0,910740,91074 0,55480,5548

0,44520,4452CH4 CH3

H2 CO

0,832180,83218

0,09380,0938

CO CO2

CO

0,0890,089

11

CHOCO

H2CO

3”0”-1500°C3”0”-1500°C

0,98550,9855 11 0,960,96 11

0,0140,014

CH4 CH3 H2 CO CHO

0,47230,4723

0,52770,5277

CO CO2

CO

H2 CO

0,0320,032

3”0”-2000°C3”0”-2000°C

0,98680,9868 0,99870,9987 0,98090,98091.01.0

CH4 CH3 H2 CO CHO

0,41420,4142

0,58580,5858

1.0 CO

CO2

H2 CO

1,3 x 10 -31,3 x 10 -2

CO

RESULTADOSRESULTADOS

LLAMAS PREMEZCLADASLLAMAS PREMEZCLADAS

PERFILES DE VELOCIDAD Y PERFILES DE VELOCIDAD Y TEMPERATURATEMPERATURA

0

500

1000

1500

2000

2500

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Distancia cm

T°C

SomersSmookU.P.B

CONCENTRACIÓN CHCONCENTRACIÓN CH44 Y O Y O22

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.0 0.5 1.0

Distancia cm

Con

cent

raci

ón Smook

Somers

U.P.B

CH4

0.000.020.040.060.080.100.120.140.160.180.20

0.0 0.5 1.0

Distancia cm

Con

cen

trac

ión Somers

Smook

U.P.B

O2

CONCENTRACIÓN ESPECIES CONCENTRACIÓN ESPECIES INTERMEDIASINTERMEDIAS

0.000

0.002

0.004

0.006

0.008

0.010

0.012

0.0 0.5 1.0

Distancia cm

Con

cen

trac

ión

*10

-3

SomersSmookU.P.B

OH

0.0000.0020.0040.0060.0080.0100.0120.0140.0160.0180.020

0.0 0.5 1.0

Distancia cmC

once

ntr

ació

n

SomersSmookU.P.B

H2

CONCENTRACIÓN COCONCENTRACIÓN CO22 Y H Y H22OO

0.000.010.020.030.040.050.060.070.080.09

0.0 0.5 1.0 1.5

Distancia cm

Con

cen

trac

ión Somers

SmookU.P.BCO2

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.0 0.5 1.0 1.5

Distancia cmC

once

ntr

ació

n

SomersSmookU.P.B

H2O

LLAMAS DIFUSIVASLLAMAS DIFUSIVAS

MODELO DE TRANSPORTEMODELO DE TRANSPORTE

SISTEMA FÍSICO ANALIZADOSISTEMA FÍSICO ANALIZADO

12 mm

4 mm

Aire Aire

CH4

ECUACIONES DE CONSERVACIÓNECUACIONES DE CONSERVACIÓN

• EN UN SISTEMA FÍSICO

VARIACIÓN TEMPORAL=C. ENTRA-C. SALE+GENERACIÓN O CONSUMOVARIACIÓN TEMPORAL=C. ENTRA-C. SALE+GENERACIÓN O CONSUMO

C. ENTRAC. ENTRAC. RXNC. RXN

C. ACUMULAC. ACUMULA

C. SALEC. SALE

LAS ECUACIONES BÁSICASLAS ECUACIONES BÁSICAS

0x

v*t

MASA:

ESPECIESi

i

iiti rxvw

tw

)**()*(

CONDICIONES DEL SISTEMACONDICIONES DEL SISTEMAFracciones Másicas Iniciales de las Especies*

CH4 1.000

O 0.233

N2 0.767

Variables Numéricas del Programa

Iteraciones globales 3

Tolerancia global 1*10-4

Iteraciones en el solver 1000

Iteraciones ecuación. Especies 1

Tolerancia ecuación. Especies 1*10-6

Variables Globales

Numero intervalos en X 20Numero intervalos en Y 20Longitud en X (m) 0.004

Longitud en Y (m)0.0012

Número de especies 21

Número de reacciones 31

Variables Físicas del Sistema

Temperatura inicial (°C) 25.0Velocidad inicial en X (m/s) 1.0

Velocidad inicial en Y(m/s) 0.0

Presión en la cámara (bar) 0.84Viscosidad inicial (g/(m*s))

1717*10-5

Difusividad inicial (m2/s) 1.0d-2Velocidad entrada CH4 (m/s) 1.0

Velocidad entrada O (m/s)1.0

SISTEMA DE MALLAS SISTEMA DE MALLAS DESPLAZADASDESPLAZADAS

Velocidad U Velocidad V Propiedades Escalares

CAMPO DE VELOCIDADESCAMPO DE VELOCIDADES

CONCENTRACIÓN CHCONCENTRACIÓN CH44

CONCENTRACIÓN OCONCENTRACIÓN O22

CONCENTRACIÓN NCONCENTRACIÓN N22

CONCLUSIONESCONCLUSIONES

Mediante un análisis que incluyó conceptos de conservación de masa, cinética química y cálculos de equilibrio químico, se determinó un mecanismo simplificado que interpreta adecuadamente el proceso de la combustión del metano.


El mecanismo de combustión obtenido servirá para usarlo en una fase posterior de la investigación, la cual está relacionada con el desarrollo de un modelo matemático para la predicción del perfil térmico y de concentraciones en el interior de una cámara de combustión.


El modelo fue aplicado a una mezcla de gases sin reacción química, en la cual se estudiaron los patrones de mezclado entre las diferentes especies para determinar las proporciones finales de cada una de ellas.


El análisis de los patrones de mezcla que ocurren en los procesos de mezcla de gases se pueden utilizar para el estudio de llamas difusivas.

MODELACIÓN DE LA COMBUSTIÓN DE GASES COMBUSTIBLES

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