Використання динаміки рідини для оптимальної конструкції для змішування газу в печі

Фон

Це стандартна конструкція для теплової печі, що використовується в процесі Клауса, яка перетворює H ₂ S в SO ₂ . Головною проблемою печі є те, що змішування газу є досить поганим і призводить до лише 60% коефіцієнта конверсії. Це, в свою чергу, збільшує витрати на обладнання, розташоване нижче за обробку домішок. Конструкція, що покращує змішування газів, дуже затребувана.

H ₂ S і O ₂ подають окремо в реактор. Реакція горіння починається і підвищує температуру приблизно до 1400 ° C. Точка задимлення в центрі реактора знаходиться там, щоб змусити гази краще перемішуватися по обидва боки від нього.

Що я робив до цього часу

У мене є модифікація конструкції на форсунках, яка дозволила набагато більше перемішати, з натхненням, взятим від інжекторів палива в автомобілях.

Я не включив точку задушення в цей малюнок. Це було зроблено лише для перевірки обгрунтованості концепції.

Двогранні форсунки забезпечують горизонтальну та радіальну швидкість вхідних газів. Це викликає закручувальний вплив на рідину, покращуючи змішування приблизно на 60%. Змішування тут визначається як однорідність розподілу вихідного продукту.

Переваги двічі: газові частинки повинні рухатися далі за рахунок завихрення, збільшуючи час перебування у реакторі. Таким чином, також досягається більша конверсія або розглядається з іншого погляду, для досягнення тієї ж конверсії, що і стандартна установка, необхідний менший реактор, різко скорочуючи витрати.

Питання

Я хочу використати певні явища динаміки рідини для покращення після змішування. Наприклад, утворення задирки використовується у розділі задухи. Що ще можна зробити для покращення змішування? Які функції можна додати / видалити?

PS: Поясніть запропонований дизайн словами, не потрібно фактичного моделювання.
Звичайно, це допомогло б мені побачити ідею, але це не обов'язково.

У мене є доступ до Fluent, в якому я імітую ці конструкції і порівнюю їх зі стандартним блоком.

Я все ще хочу бачити, що ви можете придумати.

Наскільки я розумію у вашому питанні, ви шукаєте спосіб дифузії / змішування двох газів один до одного. Процес дуже важко моделювати «правильно» через характеристики рівнянь. Однак навряд чи у вас буде гірше змішування, ніж прогнозували, оскільки моделі зазвичай недооцінюють бурхливі процеси перемішування. Вашою найбільшою проблемою можуть бути втрати тиску, пов'язані з турбулентним змішуванням, залежно від робочого тиску вашої системи.

Хороша річ, що змішування потрібно в багатьох додатках, можливо, ви можете отримати кілька ідей:

NASA досліджувало багато процесів перемішування, що перешкоджають перешкодам, для їх камер згоряння рідка-рідина:

GE, Pratt та Rolls-Royce дослідили найефективніший спосіб змішування байпасу та основного потоку своїх реактивних двигунів:

І нарешті літаючі та стаціонарні виробники газових турбін багато експериментували, щоб придумати дуже ефективний (швидкий) спосіб перемішування повітря та палива:

В основному, ідея, що стоїть за всіма прикладами, - збільшити поверхню двох рідин. На молекулярному рівні змішування / дифузію можна збільшити лише за рахунок підвищення температури. Отже, при заданій температурі змішування може бути збільшено лише за рахунок збільшення поверхні перемішування і дозволити молекулярному відбуватися в більшому масштабі.

Однак особливо зсувні шари та закручені потоки, які використовуються в останньому прикладі, дуже важко імітувати, оскільки моделі турбулентності часто не сприймають фізику досить добре.

Короткий підсумок або коментар до вашого питання:

Я хочу використати певні явища динаміки рідини для покращення після змішування.

Існує лише одне основне явище змішування, і це дифузія. Для збільшення перемішування при постійній дифузії відбувається за рахунок збільшення площі поверхні перемішування, що найефективніше здійснюється шляхом завихрення зсувних шарів.

Попередні результати

До точки задушення я додав конічну структуру, щоб розділити потік. В основному різання рідини. Цей конус кріпиться за допомогою 4-х опор. Ця конфігурація збільшила змішування на смішні кількості. Я досяг майже лінійного розподілу продукції. Однак я не проводив температурний або структурний аналіз на цій конусі, щоб перевірити, чи може вона витримати температуру або навантаження, що застосовується до неї. Цей конус був доданий до стандартної структури. Подальший аналіз слід зробити з конусом і подвійними кутовими форсунками.

Синусоїдальна стінка була додана до печі, щоб допомогти утворенню Едді на кордонах. Це збільшило лінійність розподілу продукції, але знизило коефіцієнт конверсії, чого я не розумію на даний момент.

Для допомоги в процесі моделювання використовується більш проста реакція. Бензол і кисень подають в реактор на 600 Келвін.

У легендах на всіх наступних зображеннях від 0% (чітке) до 100% (червоне). Усі сценарії, які виконувались, використовували абсолютно однакові умови експлуатації, а загальна довжина реакторів залишалася незмінною.

Отримане перетворення виглядає так:

Середня конверсія на виході була 40,09%.

З додаванням конічної структури конверсія збільшилася до 43,43% і виглядає так:

Значне поліпшення конверсії було відмічено, коли було додано два дросельні точки. Знайдена конверсія: 78,46%. Що майже вдвічі порівняно зі стандартним реактором.

Наступна ітерація передбачала додавання в реактор округлих характеристик. Це призвело до остаточної конверсії 78,57%, що не є великим збільшенням жодним заходом. Але, це можна зробити дешево.

У конструкцію подвійної дроселі додаються два конуси, щоб геометрія конуса могла сприяти формуванню вихрових елементів у відсіках. Результат був таким, як очікувалося, і було знайдено конверсію в 85,35%.

Попередня конструкція була модифікована закругленням, подібним до попереднього. Це призвело до конверсії 86,71%

Ці шахтні експерименти показують, що в цій архаїчній конструкції (в буквальному сенсі це було зроблено з початку 90-х) слід вдосконалити, використовуючи певне явище.

Зараз я перебуваю в процесі розчісування подвійного дроселя, подвійного конуса, округлої конструкції з подвійними кутовими форсунками.

rul30 поставив це найкраще:

В основному, ідея, що стоїть за всіма прикладами, - збільшити поверхню двох рідин. На молекулярному рівні змішування / дифузію можна збільшити лише за рахунок підвищення температури. Отже, при заданій температурі змішування може бути збільшено лише за рахунок збільшення поверхні перемішування і дозволити молекулярному відбуватися в більшому масштабі.

Один із способів зробити це - статичні змішувачі . Статичний змішувач - це ряд лопатей, типово гвинтових, які вставляються в трубу. Лопаті будуть «різати» і повертати рідину так, щоб різні елементи об'єму стикалися.

Однак ви не зможете моделювати його в 2D. Існують різні типи - спіральні:

X елемент:

та інші.

Вибір потрібного змішувача - це, мабуть, наука сама по собі, на перший погляд я знайшов лише статті про їх використання у виробництві клеїв - ці змішувачі часто використовуються в застосуванні рідкий-рідкий та рідкий газ. На цій сторінці вказується ще один тип застосування для газового газу , тип гофрованої плити . Статичні змішувачі для змішування газів також використовуються при обробці вихлопних газів, що може стати одним із напрямів подальших досліджень.

Фотографії: Schumacher Verfahrenstechnik