炉内のガス混合の最適設計のための流体力学の活用

バックグラウンド

これは、クラウスプロセスで使用される熱炉の標準設計であり、H ₂ SをSO _2に変換します。炉の主な問題は、ガスの混合がかなり悪く、変換率が60％に過ぎないことです。これにより、不純物を処理するための下流設備のコストが増加します。ガスの混合を改善する設計が強く求められています。

H ₂ SとO ₂は別々に反応器に供給されます。燃焼反応が始まり、温度が約1400℃まで上昇します。リアクターの中央のチョークポイントは、ガスをその両側でより良く混合させるためにあります。

これまでにやったこと

自動車の燃料噴射装置からインスピレーションを得て、より大きな混合を可能にする噴射装置の設計を変更しました。

この図にはチョークポイントを含めませんでした。概念の妥当性をテストするためだけに行われました。

2度の角度のインジェクターは、入口ガスに水平方向および半径方向の速度を提供します。これにより、流体に渦巻き効果が生じ、混合が約60％向上します。ここで混合は、アウトレット製品の分布の均一性として定義されます。

利点は2つあります。ガス粒子は渦巻きによりさらに移動する必要があり、反応器内に留まる時間が長くなります。したがって、より大きな変換も達成されるか、別の観点から見ると、標準ユニットと同じ変換を達成するためにより小さな反応器が必要であり、劇的にコストを削減します。

質問

特定の流体力学現象を活用して、混合を改善したいと考えています。たとえば、渦形成は、窒息セクションで使用されます。混合を改善するために他に何ができますか？どの機能を追加/削除できますか？

PS：提案された設計を言葉で説明してください。実際のモデリングは不要です。
もちろん、アイデアを見るのに役立ちますが、必ずしも必要ではありません。

Fluentにアクセスして、これらの設計をシミュレートし、標準ユニットと比較します。

私はあなたが何を思い付くことができるかをまだ見たいです。

あなたの質問を理解する限り、2つのガスを相互に拡散/混合する方法を探しています。方程式の特性のため、プロセスを「正しく」シミュレートするのは非常に困難です。ただし、モデルは通常、乱流混合プロセスを過小評価しているため、予測よりも混合が悪化することはほとんどありません。最大の問題は、システムの動作圧力に応じて、乱流混合に関連する圧力損失です。

良いことは、多くのアプリケーションでミキシングが必要なことです。おそらくいくつかのアイデアを得ることができます。

NASAは、液液燃焼室の多くの衝突混合プロセスを調査しました。

GE、Pratt、およびRolls-Royceは、ジェットエンジンのバイパスとコアフローを混合する最も効率的な方法を調査しました。

そして、最終的に飛行および固定のガスタービンメーカーは、空気と燃料を混合する非常に効率的な（高速の）方法を考案するために多くの実験を行いました。

基本的に、すべての例の背後にある考え方は、2つの流体の表面積を増やすことです。分子レベルでは、混合/拡散自体は温度を上げることによってのみ増加できます。そのため、所定の温度では、混合面積を増やすことによってのみ混合を増やすことができ、分子をより大きな規模で発生させることができます。

ただし、最後の例で使用されている特にせん断層と旋回流は、乱流モデルが物理を十分にキャプチャしていないことが多いため、シミュレーションが非常に困難です。

質問への短い要約またはコメント：

特定の流体力学現象を活用して、混合を改善したいと考えています。

混合には基本的な現象が1つしかなく、それが拡散です。一定の拡散を持ちながら混合を増加させるためには、せん断表面積を旋回させることにより最も効率的に行われる混合表面積を増加させることによる。

予備結果

流れを分離するために、チョークポイントの前に円錐構造を追加しました。基本的に流体を切断します。このコーンには4つのサポートが取り付けられています。この構成により、ミキシングはばかげた量だけ増加しました。ほぼ線形の製品分布を達成しました。ただし、温度や負荷に耐えられるかどうかを検証するために、このコーンに対して温度または構造解析を実行していません。このコーンは標準構造に追加されました。コーンと2度傾斜したインジェクターを使用して、さらに分析する必要があります。

境界に渦の形成を助けるために、正弦波の壁が炉に追加されました。これにより、製品分布の線形性は向上しましたが、コンバージョン率は低下しましたが、現時点ではわかりません。

モデリングプロセスを支援するために、より単純な反応が使用されます。ベンゼンと酸素は、600ケルビンでリアクターに供給されます。

以下のすべての画像の凡例は、0％（クリア）から100％（赤）の範囲です。実行されたすべてのシナリオは、まったく同じ動作条件を使用し、リアクターの全長は一定のままでした。

結果の変換は次のようになります。

結果として得られたアウトレットでの平均変換率は40.09％でした。

円錐構造の追加により、変換は43.43％に増加し、次のようになります。

2つのチョークポイントを追加すると、変換が大幅に改善されました。見つかった変換：78.46％。これは、標準のリアクターと比較してほぼ2倍です。

次の反復では、リアクターに丸みを帯びた機能を追加しました。これにより、最終的な変換は78.57％になりましたが、これはどの程度の増加でもありません。しかし、それは安くできます。

ダブルチョーク設計に追加された2つのコーン。コーンのジオメトリがコンパートメント内の渦の形成に役立つように。結果は予想通りで、85.35％の変換が見つかりました。

以前のデザインは、以前のデザインと同様の丸めで変更されました。その結果、コンバージョンは86.71％になりました

私のこれらの実験は、特定の現象を利用することにより、この古風なデザイン（文字通り、90年代前半から来た）に改良が加えられることを示しています。

現在、ダブルチョーク、ダブルコーン、丸みを帯びたデザインと2度の角度のあるインジェクターを組み合わせています。

rul30はそれを最高にしています：

基本的に、すべての例の背後にある考え方は、2つの流体の表面積を増やすことです。分子レベルでは、混合/拡散自体は温度を上げることによってのみ増加できます。そのため、所定の温度では、混合面積を増やすことによってのみ混合を増やすことができ、分子をより大きな規模で発生させることができます。

これを行う1つの方法は、静的ミキサーです。スタティックミキサーは、パイプに挿入される一連のブレードであり、通常はヘリカルです。ブレードは、異なる体積要素が接触するように、流体を「切断」して回転させます。

ただし、2Dでモデル化することはできません。さまざまなタイプがあります-ヘリカル：

X要素：

など。

適切なミキサーを選択すること自体はおそらく科学です。一見したところ、接着剤の製造での使用に関する記事のみを見つけました。これらのミキサーは、液液および液体ガスの用途でよく使用されます。このページでは、ガス-ガス用途のさらに別のタイプである波形板タイプについてアドバイスしています。排気ガス処理では、ガスとガスの混合用のスタティックミキサーも使用されます。これは、さらなる研究の1つの手段になります。

写真：シューマッハ・ヴェルファレンステクニック