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
CONTINUACIÓNCONTINUACIÓN
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.
CONTINUACIÓNCONTINUACIÓN
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.
CONTINUACIÓNCONTINUACIÓN
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.
CONTINUACIÓNCONTINUACIÓN
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)
CONTINUACIÓNCONTINUACIÓN
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
CONTINUACIÓNCONTINUACIÓN
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
CONTINUACIÓNCONTINUACIÓN
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)
CONTINUACIÓNCONTINUACIÓN
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)
CONTINUACIÓNCONTINUACIÓN
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)
CONTINUACIÓNCONTINUACIÓN
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)
CONTINUACIÓNCONTINUACIÓN
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.
CONTINUACIÓNCONTINUACIÓN
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.
CONTINUACIÓNCONTINUACIÓN
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.
CONTINUACIÓNCONTINUACIÓN
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.
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