MODELACIÓN DE LA COMBUSTIÓN DE GASES COMBUSTIBLES

1. 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

2. DERROTERO DE TRABAJO • Conceptos Básicos • Química de la Combustión • Modelo de Transporte • Conclusiones

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

4. CONCEPTOS BÁSICOS

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

6. CONTINUACIÓN 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.

7. Clasificación de la Combustión Análisis Físico Espacialmente Mezcla Inicial Flujo Unidimensional Premezclada Difusivas Laminar Turbulento Bidimensional Tridimensionl Análisis Temporal Estado Transitorio Estado Estacionario Análisis Químico Estado Cuasi Estable Equilibrio Parcial Formación Iguales a Velocidades Directas e Veloc. de las Velocidades de Consumo inversas Iguales

8. Aire Gases quemador Limite zona de difusión Llama cónica premezclada Zona luminosa Zona oscura Líneas de flujo Cilíndro Anillo de control Aire primario Orificio combustible Entrada combustible LLAMAS PREMEZCLADAS En 1855 Bunsen implementa el primer laboratorio para el estudio de llamas premezcladas

9. CHORROS GASEOSOS

10. CONTINUACIÓN r Aumento x Isovelocidades Isoconcentraciones Isotermas.

11. QUÍMICA DE LA COMBUSTIÓN

12. ANÁLISIS DE MECANISMOS Análisis 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.

13. CONTINUACIÓN 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.

14. CONTINUACIÓN

15. ANÁLISIS MECANISMO DE REACCIÓN METANO MECANISMO COMPLEJO INICIAL • 150 REACCIONES QUÍMICAS, • 25 GRUPOS • LAS ESPECIES: CH4, C2H6, CO, H2O, Y LOS RADICALES: CH3, OH, H.

16. A, B, C, D, E, F, G. C Ñ I L B N H K M O J D A F E G CONTINUACIÓN EL MECANISMO “SIMPLIFICADO” INICIAL.

17. CHO CHO H2O 2 17 HO2 CH4 3 13 OH H CH2O 11 CHO 4 OH CO 6 6 O2 CO2 1 1 CHO 2 H2 H2 O H 4 1 H OH 5 Nodo 2 CH3 CO 2 1 CO2 11 2 H HO2 5 1 1 H CH3 H CHO HO2 O2 OH O 13 CH2O CO2 2 4 O2 O CO O 17 OH 3 CH4 OH CH2O 1 5 H2 H O2 OH 11 Nodo 1 CHO 1 OH OH 2 14 2 H CH3 4 O O 15 H2 O CO 1 Nodo 3 CH3O 3 13 H OH CH2O 4 1 4 H H2 OH CO 2 13 O2 CH2O OH H2O 2 1 4 HO2 OH H CHO 13 CH2O H2O 2 5 15 H2O OH CH3O O2 3 H2O H O2 Consumo Metano 11 11

18. CH3 C2 H2 CHO C2H4 H2 OH HO2 CO H2O H2 O C2 H3 CH 2 C2 H3 OH H OH H O C2 H2 H2 H CO H CH3 C2 H4 H H2 C2 H3 C2 H3 C2 H2 OH C2 H5 C2H4 H O H2 O OH H2 HO2 O O2 CH3 CH3 OH O C2 H2 C2 H5 O2 CHO Nodo 3 CH3 H2O H CH3 HO2 OH C2 H6 CH3 C2 H5 CH2O O2 HO2 O CH3 C2 H5 CO Viene OH CH2 O2 H Mecanismo Formación y Destrucción C2H6

19. ANÁLISIS CINÉTICO Se Observan Los Mayores Valores De Los Coeficientes Cinéticos, Los Cuales Son Calculados Como: Kcin=A*Tb*[-Ea/RT]

20. ANÁLISIS DE EQUILIBRIO QUÍMICO 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.

21. mol 2.0 H2(g) C2H6(g) C2H4(g) 1.5 1.0 0.5 CH3(g) T 0.0 0 1000 2000 3000 4000 5000 C Reacciones del Grupo E1 (31,32) CONTINUACIÓN

22. mol File: C:\AREAEN~1\RAUL\TESIS\CADEC2H4.OGI 0.7 O(g) CH3(g) H2O(g) 0.6 C2H4(g) OH(g) O2(g) 0.5 C2H5(g) C2H6(g) 0.4 0.3 0.2 0.1 T 0.0 0 1000 2000 3000 4000 5000 C Cadena CH3 hasta el C2H4 CONTINUACIÓN

23. SELECCIÓN

24. RESULTADOS

25. MECANISMO PROPUESTO

26. OH OH H H2O OH O2 H2O H O2 Consumo Metano 11 11 CHO CHO H2O 2 17 HO2 CH4 3 13 OH H CH2O 11 CHO 4 OH CO 6 6 O2 CO2 1 1 CHO 2 H2 H2 O H 4 1 H OH 5 Nodo 2 CH3 CO 2 1 CO2 11 2 H HO2 5 1 1 H CH3 H CHO HO2 O2 OH O 13 CH2O CO2 2 4 O2 O CO O 17 OH 3 CH4 OH CH2O 1 5 H2 H O2 OH 11 Nodo 1 CHO 1 OH OH 2 14 2 H CH3 4 O O 15 H2 O CO 1 Nodo 3 CH3O 3 13 H OH CH2O 4 1 4 H H2 OH CO 2 13 O2 CH2O H2O 2 1 4 HO2 CHO 13 CH2O 2 5 15 H2O CH3O 3

27. CH3 C2 H2 CHO C2H4 H2 OH HO2 CO H2O H2 O C2 H3 CH 2 C2 H3 OH H OH H O C2 H2 H2 H CO H CH3 C2 H4 H H2 C2 H3 C2 H3 C2 H2 OH C2 H5 C2H4 H O H2 O OH H2 HO2 O O2 CH3 CH3 OH O C2 H2 C2 H5 O2 CHO Nodo 3 CH3 H2O H CH3 HO2 OH C2 H6 CH3 C2 H5 CH2O O2 HO2 O CH3 C2 H5 CO Viene OH CH2 O2 H Mecanismo Formación y Destrucción C2H6

28. CH4 C2 H6 .CH3 .H , OH .H,O,OH .H CH3 .O .H,O,OH .H C2 H5 CH3 CHO CH3 CO CH3 CH3 .H .H,O2 .H .O CH3 .O,OH C2 H4 CH2O CH2 CHO .H,O,OH CHO C2 H3 .O .H,C2,H .H C2 H2 .OH .H CO CH2 CO CH3 CONTINUACIÓN

29. CH4 C2 H6 .H , O , OH .H , O , OH .H .CH3 .O .H ,O , OH .H .H C2 H5 CH3 CHO CH3 CO CH3 CH3 .H , O2 CH3 .H .O .O , OH CH2O C2 H4 CH3 , CH2 ,CHO .H,O,OH CHO C2 H3 .O .H .H,O2,H .OH .H CO C2 H2 CH2 CO CH3 .OH CH CH2 CH2O, HCO .O,O2 .O,O2 CO CO,CO2 CONTINUACIÓN CH3

30. EVOLUCIÓN PASO A PASO DEL MECANISMO PLANTEADO

31. mol File: C:\AREAEN~1\RAUL\TESIS\RXN21.OGI 0.9 0.8 CH3(g) OH(g) 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 O(g) CH4(g) 0.2 T 0.1 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 C Reacción 2 EVOLUCIÓN MECANISMO CH4

32. mol File: C:\AREAEN~1\RAUL\TESIS\CADMCH20.OGI 1.0 0.9 OH(g) 0.8 0.7 CH3(g) CH4(g) 0.6 0.5 0.4 H2CO(g) 0.3 0.2 O2(g) 0.1 O(g) T 0.0 0 1000 2000 3000 4000 5000 C Cadena de Metano Hasta CH2O CONTINUACIÓN

33. mol File: C:\AREAEN~1\RAUL\TESIS\CADMCHO.OGI 2.0 H2(g) 1.5 CHO(g) 1.0 H2O(g) 0.5 H2CO(g) CH4(g) CH3(g) OH(g) O2(g) O(g) T 0.0 0 1000 2000 3000 4000 5000 C Cadena de Metano Hasta formar CHO CONTINUACIÓN

34. mol File: C:\AREAEN~1\RAUL\TESIS\CADMCO.OGI 2.0 H2(g) 1.5 CO(g) 1.0 H2O(g) 0.5 CH3(g) CH4(g) O(g) CHO(g) OH(g) H2CO(g) O2(g) T 0.0 0 1000 2000 3000 4000 5000 C Cadena de Metano Hasta formar CO CONTINUACIÓN

35. CONTINUACIÓN mol File: C:\AREAEN~1\RAUL\TESIS\CADMCO2.OGI 2.0 H2(g) 1.5 CO(g) 1.0 CH4(g) 0.5 H2O(g) CO2(g) CH3(g) O(g) CHO(g) O2(g) H2CO(g) OH(g) HO2(g) T 0.0 0 1000 2000 3000 4000 5000 C Cadena de Metano Hasta formar CO2

36. mol 3.0 O(g) 2.5 H2O(g) 2.0 HO2(g) CHO(g) H2CO(g) H2(g) CH3(g) 1.5 CH4(g) CO2(g) CO(g) 1.0 OH(g) 0.5 O2(g) T 0.0 0 1000 2000 3000 4000 5000 C Cadena de Metano Hasta formar CO2 OXIGENO ESTEQUIOMÉTRICO

37. EVALUACIÓN DEL SISTEMA A DIFERENTES TEMPERATURAS

38. 0,9621 0,91074 0,5548 H2 CO CHO CO 1 CH4 CH3 0,4452 H2CO 0,038 0,089 0,83218 CO CO2 0,0938 CO 3”0”-500°C

39. 0,9855 1 1 0,96 CHO H2 CO CH4 CH3 H2 CO 0,014 0,032 0,4723 CO2 CO 0,5277 CO 3”0”-1500°C

40. 0,9987 0,9868 0,9809 1.0 CH4 CH3 H2 CO CHO CO H2 CO 1,3 x 10 -2 1,3 x 10 -3 0,4142 CO2 1.0 CO 0,5858 3”0”-2000°C

41. RESULTADOS

42. LLAMAS PREMEZCLADAS

43. PERFILES DE VELOCIDAD Y TEMPERATURA

44. CONCENTRACIÓN CH4 Y O2

45. CONCENTRACIÓN ESPECIES INTERMEDIAS

46. CONCENTRACIÓN CO2 Y H2O

47. LLAMAS DIFUSIVAS

48. MODELO DE TRANSPORTE

49. SISTEMA FÍSICO ANALIZADO

50. C. ENTRA C. SALE C. RXN C. ACUMULA ECUACIONES DE CONSERVACIÓN • EN UN SISTEMA FÍSICO VARIACIÓN TEMPORAL=C. ENTRA-C. SALE+GENERACIÓN O CONSUMO