بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله با استفاده از روش کمینه سازی انرژی آزاد گیبس، احتراق پروپان با هوا، در یک شعله پیش آمیخته به عنوان یک مورد مطالعاتی، شبیه سازی می شود و با تغییر پارامتر های موثر نظیر فشار، نسبت سوخت به هوا و مقدار H2S آمیخته شده با پروپان در دمای آدیاباتیک شعله ، میزان نشر Cox، NOx و SOx، به عنوان چند آلاینده مهم مدلسازی و بررسی می شوند. مقایسه نتایج شبیه سازی شده با نتایج سایر منابع به خوبی صحت و دقت شبیه سازی و مدل سازی را نشان می دهد.
نتایج نشان می دهد که با افزایش H2S پیش آمیخته شده میزان SOx حاصل افزایش و سایر آلاینده ها کاهش یافت، همچنین افزایش فشار تغییر چندانی در تولید آلاینده ها نداشت. تغییر میزان نسبت هم ارزی، نشان می دهد که هر آلاینده در نسبت معادل خاصی غلظت بیشینه خود را دارد. این شبیه سازی می تواند در بهینه سازی پارامتر های موثر یک واکنش سوختن، برای کاربرد های مختلف، مانند بهینه سازی نشر آلاینده ها و رسیدن به مقادیر استاندارد محیط زیستی، مورد استفاده قرار گیرد.
-1مقدمه
هیدروکربن ها از مهمترین منابع تولید انرژی محسوب می شوند که مواد حاصل از سوختن آن ها، می تواند شامل اجزای آلاینده مانند Cox، NOx و SOx باشند که علاوه بر آسیب هایی مانند خوردگی، تخریب کاتالیست ها و غیره در تجهیزات پایین دستی، مخاطرات بهداشتی و زیست محیطی در صورت انتشار در هوا به همراه خواهند داشت. هر ساله هزینه های زیادی صرف کنترل یا جلوگیری از انتشار این آلاینده ها می شود، بنابراین نیاز به مطالعه و کنترل شرایط عملیاتی فرایند های احتراق به خوبی احساس می شود.
بر اساس مبانی تعادل ترمودینامیکی، در فرآیندهای برگشت ناپذیر، انرژی آزاد گیبس در دما و فشار ثابت کاهش پیدا می کند و تعادل هنگامی ایجاد می شود که انرژی گیبس به حداقل برسد Smith - ، . - 2005 این نظریه می تواند وسیله ای برای بررسی ترمودینامیکی واکنش ها به خصوص واکنش های سوختن باشد. روش دیگر، روش ثابت تعادل می باشد که با استفاده از معادلات موازنه جرم و انرژی و معادلات واکنش، ثابت واکنش و غلظت اجزا در دما و فشار سیستم محاسبه می شود. این روش قدیمی تر است و برای محاسبات نیاز به داده های بسیاری برای واکنش های تعادلی مختلف می باشد. هر دو این روش ها توسط محققان مختلف استفاده شده است اما روش دوم در صورت زیاد بودن تعداد محصولات و به خصوص در حالتی که دمای تعادلی معلوم نباشد موجب پیچیدگی مسئله می شود بنابراین روش کمینه سازی انرژی گیبس که اساس ریاضیات و ترمودینامیکی قوی تری دارد، بیشتر مورد توجه محققان می باشد
به عنوان مثال، یو و همکارانش Yeow Peng - ، - 1999 روش بهینه سازی مستقیم در کمینه سازی انرژی گیبس برای یافتن ترکیبات فاز های در حال تعادل به کار بردند. این روش، همچنین به عنوان یک روش موثر برای مسائل تعادل فاز های پیچیده و تعادلات شیمیایی گزارش شده است Dan Vladimir - ، . - 2002 تانگ و همکاران Tang - ، - 2005 آنالیز ترمودینامیکی گاز کردن زیست توده با استفاده از آب فوق بحرانی را به روش کمینه سازی انرژی گیبس، به کلر بردند.
گائو و همکاران Gao - ، - 2010 اثرات متغیر های عملیاتی را روی انتشار NOx ناشی از سوختن زغال سنگ یک دیگ بخار، مورد بررسی قرار دادند و مشاهده کردند با افزایش اکسیژن، انتشار NOx افزایش می یابد. وانگ و همکاران Wang - ، - 2010 اثر گاز SO2 را روی فرآیندهای کاهش NO بررسی کردند و مشاهده کردند که با افزایش SO2، از تشکیل NOx جلوگیری می شود.
در این مقاله، گاز پروپان به عنوان یک مورد مطالعاتی برای واکنش احتراق در یک شعله پیش آمیخته با هوا انتخاب شده است و فرض شده است این گاز حاوی مقداری گاز دی هیدروژن سولفید - H2S - می باشد که از قبل به صورت پیش آمیخته با خود همراه داشته است.
در این مقاله، با روش کمینه سازی انرژی آزاد گیبس، سوختن گاز پروپان شبیه سازی و نتایج حاصل از آن با سایر مراجع مقایسه، اعتبار سنجی و پارامتر های موثر در تولید آلاینده ها به طور مجزا بررسی شده است.
-1-1مدلسازی ترمودینامیکی
انرژی آزاد گیبس برای یک سیستم تک فازی در دما و فشار ثابت، فقط به تعداد مول های مواد بستگی دارد:
برای محاسبه مول های اجزای سیستم باید علاوه بر موازنه جرم و انرژی، مقدار انرژی گیبس نیز کمینه شود که این روش با توجه به حدود مسئله و حل هم زمان معادلات غیر خطی قابل حل است. روش استاندارد برای حل این نوع مسائل، استفاده از ضرایب نا معین لاگرانژ می باشد. قدم اول موازنه جرم مواد می باشد. همان طور که گونه های شرکت کننده در واکنش در یک سیستم بسته تبدیل نمی شوند، کل تعداد اتم های هر عنصر ثابت است. اگر aik را تعداد اتم های عنصر k در مولکول i در نظر بگیریم، موازنه جرم برای عنصر k به صورت زیر نوشته می شود:
که Ak کل تعداد عنصر در سیستم و ni تعداد مولکول i تعریف می شود. با تعریف ضریب لاگرانژ، λk ، برای هر عنصر و ضرب آن در معادله موازنه انرژی عناصر و جمع کردن با تابع G تابع جدیدی به نام F بدست می آید:
چنانچه این تابع برای کمینه سازی با توجه به متغیر های آن به کار گرفته شود، نتایج، تابع انرژی گیبس را کمینه می کند. پارامترهای مجهول در این معادله ni ، λk و دما می باشد. برای حل این مسئله، به همان تعداد متغیر ها، معادلات مستقل نیاز است.
