퍼니스에서의 가스 혼합을위한 최적의 설계를위한 유체 역학 활용

배경

이것은 Clauss 공정에서 사용되는 열로의 표준 설계로 H ₂ S를 SO ₂ 로 변환 합니다. 퍼니스의 주된 문제점은 가스 혼합이 다소 열악하여 전환율이 60 %에 불과하다는 것입니다. 결과적으로 불순물을 처리하기위한 다운 스트림 장비 비용이 증가합니다. 가스의 혼합을 개선하는 디자인이 많이 요구된다.

H ₂ S 및 O ₂ 는 반응기에 별도로 공급된다. 연소 반응이 시작되고 온도를 약 1400 ℃로 증가시킨다. 반응기 중앙의 질식 지점은 가스가 반응기의 양쪽에서 더 잘 혼합되도록하기위한 것입니다.

내가 지금까지 한 일

나는 자동차의 연료 인젝터에서 가져온 영감으로 훨씬 더 큰 혼합을 허용하는 인젝터의 디자인 수정을했습니다.

나는이 그림에 질식 점을 포함시키지 않았다. 개념의 유효성을 테스트하기 위해서만 수행되었습니다.

이중 각도 인젝터는 유입 가스에 수평 및 반경 방향 속도를 제공합니다. 이는 유체에 소용돌이 효과를 일으켜 혼합을 약 60 % 향상시킵니다. 혼합은 출구 생성물 분포의 균질성으로 정의된다.

장점은 두 가지입니다. 가스 입자는 소용돌이로 인해 더 이동해야하므로 반응기에 머무르는 시간이 늘어납니다. 따라서, 더 큰 전환이 달성되거나, 다른 관점에서 볼 때, 표준 유닛과 동일한 전환을 달성하기 위해 더 작은 반응기가 필요하여 비용을 획기적으로 감소시킨다.

질문

혼합을 개선하기 위해 특정 유체 역학 현상을 이용하고 싶습니다. 예를 들어 와상 형성은 질식 섹션에서 사용됩니다. 혼합을 개선하기 위해 다른 무엇을 할 수 있습니까? 어떤 기능을 추가 / 제거 할 수 있습니까?

추신 : 제안 된 설계를 단어로 설명하고 실제 모델링이 필요하지 않습니다.
물론 아이디어를 보는 데 도움이되지만 반드시 필요한 것은 아닙니다.

Fluent에 액세스하여 이러한 디자인을 시뮬레이션하고이를 표준 단위와 비교합니다.

나는 아직도 당신이 생각 해낼 수있는 것을보고 싶어합니다.

귀하의 질문을 이해하는 한 두 가스를 서로 확산 / 혼합하는 방법을 찾고 있습니다. 이 과정은 방정식의 특성으로 인해 "정확하게"시뮬레이션하기가 매우 어렵습니다. 그러나 모델이 일반적으로 난류 혼합 과정을 과소 평가하기 때문에 예측보다 혼합이 더 나쁠 가능성은 거의 없습니다. 가장 큰 문제는 시스템 작동 압력에 따라 난류 혼합에 연결된 압력 손실 일 수 있습니다.

좋은 점은 많은 응용 프로그램에서 혼합이 필요하다는 것입니다. 어쩌면 몇 가지 아이디어를 얻을 수 있습니다.

NASA는 액체-액체 연소실에 대한 많은 충돌 혼합 공정을 조사했습니다.

GE, Pratt 및 Rolls-Royce는 제트 엔진의 바이 패스와 코어 흐름을 혼합하는 가장 효율적인 방법을 조사했습니다.

그리고 마지막으로 비행 및 고정식 가스 터빈 제조업체는 공기와 연료를 혼합하는 매우 효율적인 (빠른) 방법을 고안하기 위해 많은 실험을했습니다.

기본적으로 모든 예제의 기본 개념은 두 유체의 표면을 늘리는 것입니다. 분자 수준에서 혼합 / 확산 자체는 온도를 높여야 만 증가 할 수 있습니다. 따라서 주어진 온도에서 혼합 표면을 증가 시켜서 만 혼합을 증가시키고 분자가 더 큰 규모로 발생하게 할 수 있습니다.

그러나, 마지막 예에서 사용 된 전 단층과 소용돌이 흐름은 난류 모델이 종종 물리를 충분히 잘 포착하지 못하기 때문에 시뮬레이션하기가 매우 어렵습니다.

질문에 대한 간단한 요약 또는 의견 :

혼합을 개선하기 위해 특정 유체 역학 현상을 이용하고 싶습니다.

혼합의 기본 현상은 단 하나 뿐이며 확산입니다. 일정한 확산을 유지하면서 혼합을 증가시키기 위해서는 소용돌이 치는 전 단층에 의해 가장 효율적으로 수행되는 혼합 표면적을 증가시키는 것이있다.

예비 결과

흐름을 분리하기 위해 질식 지점 앞에 원추형 구조를 추가했습니다. 기본적으로 유체 절단. 이 콘에는 4 개의 지지대가 부착되어 있습니다. 이 구성은 어리석은 양만큼 혼합을 증가시켰다. 나는 거의 선형적인 제품 분포를 달성했습니다. 그러나 온도 또는 하중에 견딜 수 있는지 여부를 확인하기 위해이 콘에 대한 온도 또는 구조 분석을 실행하지 않았습니다. 이 콘은 표준 구조에 추가되었습니다. 추가 분석은 원뿔형 및 2 각형 인젝터로 수행해야합니다.

경계에 와상 형성을 돕기 위해 정현파 벽이 퍼니스에 추가되었습니다. 이로 인해 제품 분포의 선형성이 향상되었지만 전환율이 낮아져 현재로서는 이해할 수 없습니다.

모델링 프로세스를 돕기 위해 더 간단한 반응이 사용됩니다. 벤젠과 산소는 600 켈빈으로 반응기에 공급됩니다.

다음 이미지의 범례 범위는 0 % (클리어)에서 100 % (레드)까지입니다. 실행 된 모든 시나리오는 정확히 동일한 작동 조건을 사용했으며 원자로의 전체 길이는 일정하게 유지되었습니다.

결과 변환은 다음과 같습니다.

출구에서의 평균 전환율은 40.09 % 인 것으로 밝혀졌다.

원추형 구조가 추가되면서 변환이 43.43 %로 증가했으며 다음과 같이 보입니다.

두 개의 초크 포인트가 추가 될 때 변환에서 크게 개선되었습니다. 발견 된 전환 : 78.46 %. 표준 반응기에 비해 거의 두 배입니다.

다음 반복은 반응기에 둥근 형상을 추가하는 것과 관련이 있습니다. 이로 인해 최종 전환이 78.57 %로 나타 났으며, 이는 어떤 수치로도 크게 증가하지 않습니다. 그러나 싸게 할 수 있습니다.

더블 초크 디자인에 추가 된 2 개의 콘은 콘의 기하학적 구조가 격실의 소용돌이 형성을 도울 수 있습니다. 결과는 예상 한대로 85.35 %의 변환이 발견되었습니다.

이전 디자인은 이전 디자인과 유사한 반올림으로 수정되었습니다. 이로 인해 86.71 %의 전환이 발생했습니다

이 내 실험은 특정 현상을 이용 하여이 구식 디자인 (문자 그대로, 90 년대 초반부터)에 개선이 이루어 졌음을 보여줍니다.

저는 현재 이중 초크, 이중 콘, 둥근 디자인을 이중 각도 인젝터와 빗질하는 과정에 있습니다.

rul30이 가장 좋습니다.

기본적으로 모든 예제의 기본 개념은 두 유체의 표면을 늘리는 것입니다. 분자 수준에서 혼합 / 확산 자체는 온도를 높여야 만 증가 할 수 있습니다. 따라서 주어진 온도에서 혼합 표면을 증가 시켜서 만 혼합을 증가시키고 분자가 더 큰 규모로 발생하게 할 수 있습니다.

이를 수행하는 한 가지 방법은 정적 믹서 입니다. 정적 믹서는 파이프에 삽입되는 일련의 블레이드 (일반적으로 나선형)입니다. 블레이드는 유체를 '절단'하여 다른 볼륨 요소가 접촉하도록 유체를 돌립니다.

그러나 2D로 모델링 할 수는 없습니다. Helical :

X Element :

및 다른 유형이 있습니다.

올바른 믹서를 선택하는 것은 아마도 과학 그 자체 일 것입니다. 언뜻보기에는 접착제 생산에 사용되는 기사 만 발견했습니다.이 믹서는 종종 액체 액체 및 액체 가스 응용 분야에서 사용됩니다. 이 페이지는 가스 - 가스 애플리케이션 또 다른 유형의 조언 하는 골판지 평판 타입. 가스-가스 혼합을위한 정적 혼합기는 배기 가스 처리에도 사용되며, 이는 추가 연구의 수단이 될 수 있습니다.

사진 : Schumacher Verfahrenstechnik