Krzysztof Gosiewski, Anna Pawlaczyk-Kurek

Transkrypt

1 * Krzysztof Gosiewski, Anna Pawlaczyk-Kurek Instytut Inżynierii Chemicznej PAN ul. Bałtycka 5, Gliwice 15 lutego

2 * A. Opracowanie metody modelowania sprzęgającej symulację modelem CFD z wynikami modelu opartego o różniczkowe bilanse masy i energii oraz równania kinetyki spalania termicznego. Weryfikacja w oparciu o eksperymentalnie mierzone wartości ciśnień i natężenia przepływu na instalacji badawczo-demonstracyjnej w IICh PAN. B. Badania aerodynamiki reaktora o geometrii planowanej dla przemysłowej pilotowej instalacji spalania metanu z powietrza wentylacyjnego. 15 lutego

3 A. Doświadczalny Reaktor TFRR 15 lutego

4 A. Doświadczalny Reaktor TFRR 15 lutego

5 Wypełnienie Reaktora: Pierścień Raschiga 15 lutego

6 Uproszczona metoda symulacji rozkładu temperatur w reaktorze T [K] Sekcja I (lewa) y 1 [m] Symul. Aproks. y 1 [m] 1.5 Sekcja II (prawa) Porównanie symulowanych i aproksymowanych profili temperatur w obu Sekcjach reaktora TFRR T [K] Symul Aproks PRZYKŁAD: Dla Sekcji I (lewa strona TFRR): Odcinek 1: y 0. 36m 1 Odcinek 2: y > 0. 36m 1 Dla poszczególnych odcinków przyjęto następujące wielomiany aproksymacyjne: 3 2 Odcinek 1: T = y y y [K] Odcinek 2: T = y y y [K] lutego

7 Rzeczywiste średnie parametry procesu w podczas sesji badawczych Stężenie średnie % obj. CH 4 Średni przepływ Nm 3 /h Początek CSS Koniec CSS Czas trwania CSS Sesja III 0, :56 07:03 11h Sesja IV 0, :00 10:00 8 h Monolity Podsypka (a) (b) Wyniki symulacji CFD ciśnienia wzdłuż drogi przepływu w badawczo-demonstracyjnym TFRR (a) dla IV Sesji badawczej (b) dla III Sesji badawczej 15 lutego

8 Rzeczywiste średnie parametry procesu w podczas sesji badawczych Stężenie średnie % obj. CH 4 Średni przepływ Nm 3 /h Początek CSS Koniec CSS Czas trwania CSS Sesja III 0, :56 07:03 11h Sesja IV 0, :00 10:00 8 h (a) (b) Wyniki symulacji CFD rzeczywistej prędkości wzdłuż drogi przepływu w badawczo-demonstracyjnym TFRR (a) dla IV Sesji badawczej (b) dla III Sesji badawczej 15 lutego

9 Wartości ciśnienia wzdłuż drogi przepływu powietrza przez reaktor wylicza program CFD Fluent. Jako dane wejściowe do wzoru Erguna *) wprowadza się: Współczynnik oporu lepkościowego wyznaczany ze wzoru ( ) ε Rv = 2 3 Dp ε Współczynnik oporu inercyjnego wyznaczany ze wzoru R i 30, = D p ( 1 ε ) 3 ε *) Kompilacja: Williams J.L. Catalysis Today 69 (2001) 3 9 oraz Li Yang PhD Thesis University of Kentucky (2015) 15 lutego

10 WLOT WYLOT Wyniki weryfikacji symulowanych spadków ciśnień na wypełnieniu TFRR Wariant eksperymentów Parametry procesu Ciśnienia z symulacji CFD Pomiar Przepływ Stężenie [Pa] [Pa] Nm 3 /h %obj. CH 4 P 1 (Dolna komora) P 2 (Łącznik sekcji) P 1 = P 1 - P 2 Średnie P 1 Błąd symulacji [Pa] % Sesja III 392 0, ,3 Sesja IV 378 0, ,2 15 lutego

11 B. Przemysłowy pilotowy Reaktor TFRR (projektowany) Wersja 1 Wersja 2 15 lutego

12 Widok przestrzenny jednego z wariantów geometrii przepływu reaktora TFRR wprowadzonej w programie Fluent. Króciec upustu gazu do utylizacji Kopuła Bloki monolitu Pierścienie Raschiga Podpora wypełnienia Króciec wylotowy Króciec wlotowy Porównanie symulowanych i aproksymowanych profili temperatur w obu Sekcjach reaktora TFRR T [K] Sekcja I (lewa) Sekcja II (prawa) T [K] Symul. Aproks Symul Aproks ,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 y 1 [m] y 1 [m] 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0, lutego

13 Porównanie strug przepływu w obu wersjach geometrii reaktora dla pracy przy stężeniu wlotowym 0,7 % obj. CH 4 i pracy z upustem gorącego gazu (18 % przepływu całkowitego). Wersja 1 Wersja 2 15 lutego

14 Porównanie rozłożenia energii kinetycznej turbulencji w obu wersjach geometrii reaktora dla pracy przy stężeniu wlotowym 0,7 % obj. CH 4 i pracy bez upustu gorącego gazu. Wersja 1 Wersja 2 15 lutego

15 Porównanie strug przepływu w reaktorze badawczym i pilotowym reaktorze przemysłowym Reaktor badawczy Wersja 1 15 lutego

16 Zestawienie wyników wartości ciśnienia symulowanych programem CFD. Monolit 3x3 mm Monolit 5x5 mm Monolit 3x3 mm Monolit 5x5 mm Wariant 1 Wlot [Pa] Min. Max. Śr. Zadany Wylot [Pa] Spadek ciśnienia [Pa] 0,55% bez upustu ,55% z upustem 13% ,7% bez upustu ,7% z upustem 18% , ,55% bez upustu ,55% z upustem 13% ,7% bez upustu , ,7% z upustem 18% Wariant 2 Wlot [Pa] Min. Max. Śr. Zadany Wylot [Pa] 0,55% bez upustu ,55% z upustem 13% ,7% bez upustu ,7% z upustem 18% ,5 Spadek ciśnienia [Pa] 0,55% bez upustu ,55% z upustem 13% ,7% bez upustu ,5 654,5 0,7% z upustem 18% ,5 435,5 15 lutego

17 Podsumowanie: Wypełnienie reaktora ma największy wpływ na jego opory. Rodzaj wypełnienia pozwala znacząco obniżyć opory przy zwiększonej prędkości przepływu. Zbyt duża szybkość przepływu w połączeniu obu jego sekcji może pogarszać równomierność pola prędkości w sekcji wylotowej reaktora. Należy powiększyć pole przekroju łącznika obu sekcji reaktora. 15 lutego

18 15 lutego