* Krzysztof Gosiewski, Anna Pawlaczyk-Kurek Instytut Inżynierii Chemicznej PAN ul. Bałtycka 5, 44-100 Gliwice 15 lutego 2018 1
* 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 2018 2
A. Doświadczalny Reaktor TFRR 15 lutego 2018 3
A. Doświadczalny Reaktor TFRR 15 lutego 2018 4
Wypełnienie Reaktora: Pierścień Raschiga 15 lutego 2018 5
Uproszczona metoda symulacji rozkładu temperatur w reaktorze 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 T [K] Sekcja I (lewa) 0 0.5 1 1.5 y 1 [m] Symul. Aproks. y 1 [m] 1.5 Sekcja II (prawa) Porównanie symulowanych i aproksymowanych profili temperatur w obu Sekcjach reaktora TFRR. 1 0.5 T [K] 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 0 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 = -21493.0 y + 11896.0 y + 862.48 y + 460.42 [K] Odcinek 2: 1 1 1 T = -179.41 y + 726.44 y - 1015.4 y + 1570.1 [K] 3 2 1 1 1 15 lutego 2018 6
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 0,31 392 19:56 07:03 11h Sesja IV 0,99 378 2:00 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 2018 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 0,31 392 19:56 07:03 11h Sesja IV 0,99 378 2:00 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 2018 8
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 ( ) 2 72 1 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 2018 9
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 0,31 2200 1560 640 813 173-21,3 Sesja IV 378 0,99 2375 1625 750 791 41-5,2 15 lutego 2018 10
B. Przemysłowy pilotowy Reaktor TFRR (projektowany) Wersja 1 Wersja 2 15 lutego 2018 11
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. 1500 T [K] Sekcja I (lewa) Sekcja II (prawa) T [K] 1500 1300 1300 1100 900 Symul. Aproks. 1100 900 Symul Aproks 700 700 500 300 0 0,2 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 0,2 0 500 300 15 lutego 2018 12
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 2018 13
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 2018 14
Porównanie strug przepływu w reaktorze badawczym i pilotowym reaktorze przemysłowym Reaktor badawczy Wersja 1 15 lutego 2018 15
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 1967 1971 1969 969 0,55% z upustem 13% 1561 1567 1564 564 0,7% bez upustu 2030 2034 2032 1032 0,7% z upustem 18% 1551 1560 1555,5 1000 556 0,55% bez upustu 1613 1619 1616 616 0,55% z upustem 13% 1383 1389 1386 386 0,7% bez upustu 1727 1734 1730,5 731 0,7% z upustem 18% 1391 1397 1394 394 Wariant 2 Wlot [Pa] Min. Max. Śr. Zadany Wylot [Pa] 0,55% bez upustu 2173 2169 2171 1171 0,55% z upustem 13% 1567 1562 1565 565 0,7% bez upustu 2030 2034 2032 1032 0,7% z upustem 18% 1575 1580 1578 1000 577,5 Spadek ciśnienia [Pa] 0,55% bez upustu 1679 1687 1683 683 0,55% z upustem 13% 1404 1410 1407 407 0,7% bez upustu 1651 1658 1654,5 654,5 0,7% z upustem 18% 1432 1439 1435,5 435,5 15 lutego 2018 16
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 2018 17
15 lutego 2018 18