MODELACIÓN DE LA COMBUSTIÓN DE GASES COMBUSTIBLES Tesis de Grado M aestría en S istemas E nergéticos Director F ARID C HEJNE J ANNA PhD I ngeniero M ecánico.

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1 MODELACIÓN DE LA COMBUSTIÓN DE GASES COMBUSTIBLES Tesis de Grado M aestría en S istemas E nergéticos Director F ARID C HEJNE J ANNA PhD I ngeniero M ecánico y F ísico U NIVERSIDAD P ONTIFICIA B OLIVARIANA J ULIO 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 Unidimensional Bidimensional Tridimensionl Espacialmente PremezcladaDifusivas MezclaInicial LaminarTurbulento Flujo AnálisisFísico Estado TransitorioEstado Estacionario Análisis Temporal Estado CuasiEstable Veloc. de FormaciónIguales a lasVelocidades deConsumo EquilibrioParcial VelocidadesDirectas e inversasIguales Análisis Químico Clasificación de laCombustión

8 LLAMAS 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

9 CHORROS GASEOSOS

10 CONTINUACIÓN Isovelocidades Isoconcentraciones Isotermas. x r Aumento

11 QUÍMICA DE LA COMBUSTIÓN

12 ANÁLISIS DE MECANISMOS Análisis de Sensibilidad C onsiste 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: CH 4, C 2 H 6, CO, H 2 O CH 3, OH, H CH 4, C 2 H 6, CO, H 2 O, Y LOS RADICALES: CH 3, OH, H.

16 CONTINUACIÓN 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

17 Consumo Metano 11

18 Mecanismo Formación y Destrucción C 2 H 6

19 ANÁLISIS CINÉTICO Se Observan Los Mayores Valores De Los Coeficientes Cinéticos, Los Cuales Son Calculados Como: K cin =A*T b * [-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 CONTINUACIÓN 010002000300040005000 0.0 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)

22 CONTINUACIÓN 010002000300040005000 0.0 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)

23 SELECCIÓN

24 RESULTADOS

25 MECANISMO PROPUESTO

26 Consumo Metano CHO H2OH2OH2OH2O H OH H H CH 2 O OH CH 3 O H CHO CH 4 H2H2H2H2 CHO OH CHO H2 OH2 OH2 OH2 O CH 2 O H2H2H2H2 CH 3 O O2O2O2O2 CH 3 H O OH H OH O O O2O2O2O2 OH H2H2H2H2 OH H O CH 4 CHO CHO O2O2O2O2 H O OH CH 2 O CO CO HO 2 CO H2H2H2H2 OH CO CO H2OH2OH2OH2O OH O2O2O2O2 CO 2 H OH O H OH HOHOH H2OH2OH2OH2O O2O2O2O2 H2OH2OH2OH2O O2O2O2O2 HO 2 H O2O2O2O2 CHO CH 2 O H2OH2OH2OH2O 17 1 14 15 13 11 2 17 11 1 15 13 2 1 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 1 Nodo 3 Nodo 2

27 Mecanismo Formación y Destrucción C 2 H 6

28 CONTINUACIÓN CH 3 CH 4.H.H.H.H CH 3 CH 2 O CHO CO. CH 3 CH 3.H.H.H.H.O.O.O.O. H,O,OH. H,C 2,H C 2 H 5 C 2 H 6 C 2 H 4 C 2 H 3 C 2 H 2 CH 2 CO CH 3 CH 2 CHO CH 3 CHO CH 3 CO.H.H.H.H.H.H.H.H. H, OH. H,O,OH.O.O.O.O.H.H.H.H. H,O 2. O,OH.O.O.O.O.H.H.H.H. OH

29 CH 3 CH 4.H.H.H.H CH 3 CH 2 O CHO CO. CH 3 CH 3.H.H.H.H.O.O.O.O. H,O 2,H. H,O,OH C 2 H 5 C 2 H 6 C 2 H 4 C 2 H 3 C 2 H 2 CH 2 CO CH 3 CH 3, CH 2,CHO CH 3 CHO CH 3 CO.H.H.H.H.H.H.H.H. H, O, OH.O.O.O.O.H.H.H.H. H, O 2. O, OH.O.O.O.O.H.H.H.H. OH C H2C H2C H2C H2 CO,CO 2 C HC HC HC H CO. O,O 2 CH 2 O, H CO. OH CONTINUACIÓN

30 EVOLUCIÓN PASO A PASO DEL MECANISMO PLANTEADO

31 EVOLUCIÓN MECANISMO CH4 0200400600800100012001400 0.1 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)

32 CONTINUACIÓN 010002000300040005000 0.0 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)

33 CONTINUACIÓN

34 CONTINUACIÓN 010002000300040005000 0.0 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)

35 CONTINUACIÓN 010002000300040005000 0.0 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)

36 OXIGENO ESTEQUIOMÉTRICO 010002000300040005000 0.0 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)

37 EVALUACIÓN DEL SISTEMA A DIFERENTES TEMPERATURAS

38 3”0”-500°C 0,038 0,9621 0,9621 0,91074 0,5548 0,4452 CH 4 CH 3 H 2 CO 0,83218 0,83218 0,0938 0,0938 CO CO 2 CO 0,089 1 CHO CO H 2 CO

39 3”0”-1500°C 0,9855 0,9855 10,96 1 0,014 CH 4 CH 3 H 2 CO CHO 0,4723 0,4723 0,5277 0,5277 CO CO 2 CO H 2 CO 0,032 0,032

40 3”0”-2000°C 0,9868 0,9868 0,9987 0,9987 0,9809 0,9809 1.0 CH 4 CH 3 H 2 CO CHO 0,4142 0,4142 0,5858 0,5858 1.0 CO CO 2 H 2 CO 1,3 x 10 -3 1,3 x 10 -2 CO

41 RESULTADOS

42 LLAMAS PREMEZCLADAS

43 PERFILES DE VELOCIDAD Y TEMPERATURA

44 CONCENTRACIÓN CH 4 Y O 2

45 CONCENTRACIÓN ESPECIES INTERMEDIAS

46 CONCENTRACIÓN CO 2 Y H 2 O

47 LLAMAS DIFUSIVAS

48 MODELO DE TRANSPORTE

49 SISTEMA FÍSICO ANALIZADO

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

51 LAS ECUACIONES BÁSICAS MASA: ESPECIES

52 CONDICIONES DEL SISTEMA Fracciones Másicas Iniciales de las Especies * CH41.000 O0.233 N20.767 Variables Numéricas del Programa Iteraciones globales3 Tolerancia global1*10-4 Iteraciones en el solver1000 Iteraciones ecuación. Especies1 Tolerancia ecuación. Especies1*10-6 Variables Globales Numero intervalos en X20 Numero intervalos en Y20 Longitud en X (m)0.004 Longitud en Y (m)0.0012 Número de especies21 Número de reacciones31 Variables Físicas del Sistema Temperatura inicial (°C) 25.0 Velocidad inicial en X (m/s)1.0 Velocidad inicial en Y(m/s)0.0 Presión en la cámara (bar)0.84 Viscosidad inicial (g/(m*s))1717*10 -5 Difusividad inicial (m 2 /s) 1.0d-2 Velocidad entrada CH 4 (m/s)1.0 Velocidad entrada O (m/s)1.0

53 SISTEMA DE MALLAS DESPLAZADAS

54 CAMPO DE VELOCIDADES

55 CONCENTRACIÓN CH 4

56 CONCENTRACIÓN O 2

57 CONCENTRACIÓN N 2

58 CONCLUSIONES 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.

59 CONTINUACIÓN 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.

60 CONTINUACIÓN 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.

61 CONTINUACIÓN 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.