Modelagem de Escoamentos Reativos Professora: Cristiane Aluno: Porto “Partially Stirred Reactor”

1. Modelagem de Escoamentos Reativos Professora: Cristiane Aluno: Porto “Partially Stirred Reactor”

2. Objetivo Demonstrar os princípios que envolvem a modelagem utilizada pelo CHEMKIM para simular numericamente um reator parcialmente misturado.

3. Roteiro • Pequena revisão; • Taxa de mistura X taxa de reação; • Reator PSR; • Reator Plug; • Reator PASR; • Caso exemplo; • Reprodução de um artigo.

4. Revisão Durante o curso estudamos vários fatores que influenciam as reações químicas e em especial a combustão. Dentre algumas podemos citar: • Variação de entalpia; • Variação de entropia; • Temperatura; ΔG = ΔH – TΔS ΔG < 0 – favorável; ΔG > 0 – Não ocorre; ΔG = 0 - Equilíbrio

5. Revisão • Relação ar combustível; • Razão de equivalência; • Combustível; • Oxidante; • Taxa de mistura; • Taxa de reação;

6. PSR - Perfectly Stirred Reactor Nesta abordagem é assumido que o reator possui uma mistura espacialmente homogênea devido a uma alta taxa de difusão entre os reagentes ou um escoamento turbulento forçado. Isto quer dizer que a taxa de conversão de reagentes em produtos é controlado pela taxa de reação química e não pelo processo de mistura.

7. Muitas aplicações práticas estão baseadas na condição de idealmente misturado, tais como turbinas a gás e motores de combustão interna. Como já vimos anteriormente, esta é uma boa aproximação quando a taxa de mistura é muito maior que a taxa de reação química.

8. Quando a taxa de mistura apresenta valor não muito superior à taxa de reação, o grau de mistura passa a exercer grande influência nas características do reator. Neste caso o modelo PSR pode não representar com exatidão o fenômeno estudado.

9. PLUG Reatores de fluxo tubulares foram muito usados ao longo de processos químicos industriais. A configuração de fluxo de tubo é uma escolha natural para processos que consideram reações de forma contínua. A característica principal deste reator é o fato de considerar que não existe mistura na direção axial, mas é perfeitamente misturado na direção radial em um ponto considerado.

10. PASR - Parcialmente Stirred Reactor A idéia de PASR é um relaxamento na velocidade de mistura turbulenta assumida no PSR. A principal característica deste modelo é considerar que as principais propriedades termo-químicas dentro do reator são assumidas como espacialmente homogêneas, mas imperfeitamente misturas em nível molecular.

11. PASR Ou seja, os fluidos reagentes não se encontram completamente difundidos uns nos outros em nível molecular, porém as principais propriedades possuem valores uniformes em todo volume do reator devido a uma mistura turbulenta.

12. PASR O processo de mistura no PASR é caracterizado pela freqüência de mistura, a qual é freqüentemente modelada como o inverso da escala de tempo de turbulência. No PASR a dinâmica dos fluidos não será resolvida, então a freqüência de mistura será um parâmetro de entrada, que juntamente com o tempo de residência do reator e o tempo de mistura definirão a escala de tempo adequada para controlar as propriedades no PASR.

13. PASR Quando a escala de tempo de mistura se aproxima de zero, o processo torna-se rápido o suficiente para que as propriedades dentro do PASR possam ser homogeneamente misturadas também em nível molecular tornando-se assim um reator PSR.

14. Principais Comandos • Parâmetros do Reator; • Parâmetros do Problema; • Parâmetros do Processo Monte Carlo; • Parâmetros do Controle da Solução; • Parâmetros de Pós-Processamento.

15. Parâmetros do Reator • PRES - Pressão na entrada do reator [atm]; • FLRT – Taxa do fluxo de massa na entrada do reator [g/s]; • TAU – Tempo de Residência nominal do gás no reator quando há escoamento [s]; • TEND – Temperatura de entrada do gás. Esta função é usada quando houver um único fluxo entrando no reator [K];

16. Parâmetros do Reator • TINL – Temperatura de entrada do gás. Esta função é usada quando há somente um fluxo entrando; • REAC – Fração molar/mássica das espécies dadas de um gás que entra no reator; • TINI – Temperatura inicial do gás no reator; • INIT – Fração molar/mássica inicial de uma espécie gasosa no reator.

17. Parâmetros do Problema • CHEM – Esta função indica que os termos fontes químicos são considerados nos cálculos

18. Parâmetros do Processo Monte Carlo • CURL – Esta função indica que o modelo Curl modificado será usado para simular a mistura molecular dentro da partícula computacional; • CMIX – Controlador de parâmetros para os modelos Curl modificado e o IEM; • MIXT – Tempo característico do processo de mistura do reator [s];

19. Parâmetros do Processo Monte Carlo • NPAR – Número de partículas eventos estatísticos usados pelo processo Monte Carlo do conjunto estocástico; • DT – Tamanho do passo de tempo da simulação de Monte Carlo[s]; • NPIN – Número mínimo de partículas eventos no reator cujas propriedades serão substituídas por aquelas da mistura da entrada no passo do tempo;

20. Parâmetros do Processo Monte Carlo • CFL – Número de Courant-Friedrichs-Lewy (CFL) para processos convectivos; este parâmetro limita a fração de partículas para as quais podem ser fixadas propriedades das condições de entrada pelo passo de tempo; • CTOL – Critério para determinação do regime permanente. Esta função requer duas entradas. A primeira entrada fixa o critério: o caimento normatizado de mudança de densidade com o tempo. A segunda entrada indica o número de pontos de tempo para o caimento;

21. Parâmetro para Controle da Solução • BDF – Esta função indica que as fórmulas do pacote DVODE são usadas para integrar as equações; • ATOL – Tolerância absoluta de erro usada no pacote de integração numérica; • RTOL - Tolerância relativa de erro usada no pacote de integração numérica;

22. Parâmetros de Pós-Processamento KOUT – Lista o nome das espécies que terão suas frações mássicas impressas no padrão de saída e no arquivo history.plt;

23. Caso Exemplo Estudo do delay na ignição do hidrogênio na pressão atmosférica. O caso exemplo não corresponde a uma aplicação de condições reais; ele simplesmente seve para descrever o uso do pacote PASR na determinação do impacto na cinética química do caráter não misturado em nível molecular.

24. - Reator contém hidrogênio a 300K; - Ar é injetado a 1500 K; - Regime permanente; - Freqüência de mistura de 10 kHz;

25. Variação da temperatura com o tempo para valores diferentes da razão Tau_mix/Tau_res.

26. Variação da fração mássica de hidrogênio com o tempo para diferentes valores da razão Tau_mix/Tau_res.

27. Paper Simulation of a toroidal jet-stirred combustor using a partially stirred reactor model with detailed kinetic mechanisms Charles A. Bass, Jr, Robert B. Barat

28. Foram usados três mecanismos de reação: 1- CO/H2 com 11 espécies e 23 reações elementares; 2- CO/H2 com 18 espécies e 43 reações elementares, incluindo a oxidação do nitrogênio; 3- CO/H2 com 27 espécies e 77 reações elementares, incluindo a oxidação do nitrogênio.

29. Dados do Paper: Temperatura de entrada de 900K; Pressão de 1 atm; Mistura de CO/H2 e ar; Razão de Equivalência de 0.316

34. Conclusão O modelo de reator PASR atua como um relaxamento do modelo PSR, onde a freqüência de mistura e tempo de residência atuam como controladores da reação.

35. Agradecimentos Agradeço a professora Cristiane e meus colegas de turma pela agradável convivência e troca de experiências. Desejo a todos um Feliz Natal e um Ano de 2007 repleto de realizações pessoais e profissionais regadas com muita saúde.