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PubblicatoCapricia Carraro Modificato 10 anni fa
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Combustione 2007-08 Meccanismi Chimici
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Come usare Chemkin (i) Pre-processore: estrae i parametri TD e cinetici chem.inp: input file (spesso da letteratura) contiene le specie e le reazioni (non necessarie per calcolare lequilibrio) chem.exe: eseguibile therm.dat: banca dati termodinamica Calcolo della cinetica: programma CK (come equil) oppure script creato da noi in FORTRAN e compilato PH.inp (o UV.inp o PT.inp): input file PH.exe (o UV.exe o PT.exe): eseguibile
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Come usare Chemkin (ii) ESECUZIONE: PHb.bat (o UV.bat o PT.bat) per lanciare il programma chem PH PH.out Pause Grafici.m per vedere i risultati
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Come usare Chemkin (iii) FILE OUTPUT: chem.out: per individuare eventuali errori in chem.inp chem.bin: contiene le informazioni lette dal pre-processore e viene usato dai programmi che calcolano lequilibrio o la cinetica PH.out (o UV.out o PT.out) ripete gli input PH.ris (o UV.ris o PT.ris) contiene i risultati (solo numeri) PH.tit (o UV.tit o PT.tit) contiene i nomi delle variabili
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Esempio 1: H 2 meccanismo: chem.inp ELEMENTS H O N END SPECIES H2 H O2 O OH HO2 H2O2 H2O N N2 NO END REACTIONS H2+O2=2OH 0.170E+14 0.00 47780 OH+H2=H2O+H 0.117E+10 1.30 3626 ! D-L&W O+OH=O2+H 0.400E+15 -0.50 0 ! JAM 1986 O+H2=OH+H 0.506E+05 2.67 6290 ! KLEMM,ET AL H+O2+M=HO2+M 0.361E+18 -0.72 0 ! DIXON-LEWIS H2O/18.6/ H2/2.86/ N2/1.26/ OH+HO2=H2O+O2 0.750E+13 0.00 0 ! D-L H+HO2=2OH 0.140E+15 0.00 1073 ! D-L O+HO2=O2+OH 0.140E+14 0.00 1073 ! D-L 2OH=O+H2O 0.600E+09 1.30 0 ! COHEN-WEST. H+H+M=H2+M 0.100E+19 -1.00 0 ! D-L H2O/0.0/ H2/0.0/ H+H+H2=H2+H2 0.920E+17 -0.60 0 H+H+H2O=H2+H2O 0.600E+20 -1.25 0 H+OH+M=H2O+M 0.160E+23 -2.00 0 ! D-L H2O/5/ H+O+M=OH+M 0.620E+17 -0.60 0 ! D-L H2O/5/ O+O+M=O2+M 0.189E+14 0.00 -1788 ! NBS H+HO2=H2+O2 0.125E+14 0.00 0 ! D-L HO2+HO2=H2O2+O2 0.200E+13 0.00 0 H2O2+M=OH+OH+M 0.130E+18 0.00 45500 H2O2+H=HO2+H2 0.160E+13 0.00 3800 H2O2+OH=H2O+HO2 0.100E+14 0.00 1800 O+N2=NO+N 0.140E+15 0.00 75800 N+O2=NO+O 0.640E+10 1.00 6280 OH+N=NO+H 0.400E+14 0.00 0 END
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Esempio 1.A. Bassa temperatura – Tin=600°C Verificare se la reazione di combustione dellH 2 con O 2 puro avviene in un reattore isotermo con un tempo di contatto di 1 ms (millisecondo).
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Cosa predice lequilibrio? equil.inp REAC O2 2 REAC H2 1 CONT CONP PRES 1.0 TEMP 873 END
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Cosa predice lequilibrio? INITIAL STATE: EQUIL. STATE: P (atm) 1.0000E+00 1.0000E+00 T (K) 8.7300E+02 8.7300E+02 V (cm3/gm) 3.2555E+03 2.7129E+03 H (erg/gm) 8.1058E+09 -2.9313E+10 U (erg/gm) 4.8071E+09 -3.2062E+10 S (erg/gm-K) 9.9303E+07 9.0791E+07 W (gm/mole) 2.2005E+01 2.6405E+01 INITIAL STATE: EQUILIBRIUM STATE: Mole Fractions H2 3.3333E-01 5.8810E-13 H 0.0000E+00 3.5685E-17 O2 6.6667E-01 6.0000E-01 O 0.0000E+00 1.4532E-12 OH 0.0000E+00 1.8218E-08 HO2 0.0000E+00 5.3717E-10 H2O2 0.0000E+00 1.2608E-10 H2O 0.0000E+00 4.0000E-01 N 0.0000E+00 0.0000E+00 N2 0.0000E+00 0.0000E+00 NO 0.0000E+00 0.0000E+00 Lequilibrio isotermo e isobaro prevede la completa conversione dellidrogeno a 600°C
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Bassa temperatura – Tin=600°C PT.inp 1 873 P (atm) e T(K) iniziali; seguono N iniziali H2 1 O2 2 END 1.0E-3 1.0E-5FINAL TIME AND DT
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Composizione – Tin=600°C In un reattore con tempo di permanenza così basso la reazione non avviene!
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Composizione (log-y) – Tin=600°C Si stanno formando i radicali: con un maggiore tempo di permanenza la reazione si innescherà.
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Composizione – Tin=600°C Se si aumenta il tempo di permanenza, la reazione si innesca.
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Composizione (log-y) – Tin=600°C Dopo un tempo di induzione, in cui si formano i radicali, il sistema reagisce e inizia a consumare i radicali per procedere verso la composizione di equilibrio.
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PH.inp 1 1273 P (atm) e T(K) iniziali; seguono N iniziali H2 1 O2 2 END 1.0E-3 1.0E-6FINAL TIME AND DT Esempio 1.B. Alta temperatura – Tin=1000°C
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Volume specifico – Tin=1000°C Il volume specifico si contrae perché la reazione avviene con riduzione del numero di moli.
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Composizione – Tin=1000°C A temperatura più alta le cinetiche sono più rapide, con lo stesso reattore ora la reazione avviene.
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Composizione (log-x log-y)– Tin=1000°C Data lelevata temperatura, molti radicali sono presenti in concentrazioni rilevanti.
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Diversi radicali in gioco A diverse temperature, il meccanismo si comporta in maniera diversa. Non solo per la velocità globale di reazione dellidrogeno, ma anche per i radicali che si formano.
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Esempio 2: CO meccanismo: GRImech (chem.inp ) qui viene usato il GRIMech3.0 http://www.me.berkeley.edu/gri-mech/ http://www.me.berkeley.edu/gri-mech/
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PH.inp 1 1273P (atm) e T(K) CO 2 O2 1 END 2.0E-1 1.0E-4FINAL TIME AND DT Esempio 2.A. Senza idrogeno
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Temperatura – senza H2 0.16 secondi
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Concentrazione – senza H2
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Concentrazione (log-y) – senza H2 Mostro 20 specie, ma solo 4 hanno valori significativi. Le altre non hanno senso fisico: sono praticamente zero. Tolleranza assoluta
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Concentrazione (log-y) – senza H2 La reazione ha un periodo di latenza, in cui il radicale O scarseggia.
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Confronto con lequilibrio CALCOLOT (K)X,COX,O2X,CO2X,O EQUILIBRIO31150.41130.17270.34910.0679 CINETICA31100.41180.17240.34780.0680 Per elevati tempi di permanenza (t>0.2s), la cinetica restituisce gli stessi valori dellequilibrio CO + ½ O 2 = CO 2 =1
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Esempio 2.B. Con idrogeno PH.inp 1 1273P (atm) e T(K) CO 2 O2 1 H2 0.01 END 5.0E-4 5.0E-6FINAL TIME AND DT
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Temperatura – con H2 0.0004secondi
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Concentrazione – con H2
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Concentrazione (log-y) – con H2 Mostro 10 specie Linnesco della reazione avviene con il formarsi di radicali OH
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Confronto con lequilibrio In presenza di idrogeno, anche in quantità ridotte, il sistema raggiunge molto prima lequilibrio.
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Esempio 3: CH4 meccanismo: GRImech (chem.inp)
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Esempio 3.A. =1 Stechiometrico in aria PH.inp 1 1473P (atm) e T(K) iniziali CH4 1 O2 2 N2 8 END 3.0E-3 1.0E-5FINAL TIME AND DT
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Temperatura
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Concentrazione Le 7 specie stabili – allinnesco il metano scompare, e si formano i prodotti della combustione. 1.6 ms
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Concentrazione (log-y) Prima che la reazione si inneschi, cè la formazione di radicali e alcani- alcheni superiori. Poi, anche gli alcani-alcheni superiori scompaiono, perché la temperatura è molto aumentata e non sono più stabili. Mostro 15 specie
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Esempio 3.B. =2 Miscela ricca PH.inp 1 1473P (atm) e T(K) iniziali CH4 1 O2 1 N2 4 END 3.0E-3 1.0E-5FINAL TIME AND DT
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Concentrazione Le 7 specie stabili: H2 e CO ora prevalgono su CO2 e H2O 2.2 ms
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