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1.5.3.3-Indagine bibliografica relativa a modelli per la simulazione numerica della combustione catalitica e alle potenzialità dei modelli più diffusi

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1.5.3.3-Indagine bibliografica relativa a modelli per la simulazione numerica della combustione catalitica e alle potenzialità dei modelli più diffusi

Viene ricordato concisamente che il rispetto delle normative nazionali sulle emissioni inquinanti impone un controllo rigoroso della combustione del gas naturale e che nell’ambito delle tecnologie caratterizzate da una produzione trascurabile di ossidi di azoto si sta imponendo quella della combustione catalitica anche perché i combustori a fiamma del tipo DryLowNOx possono essere soggetti a instabilità di funzionamento che provocano un inquinamento acustico e sono pericolose per l’integrità del sistema. Attualmente la tecnologia della combustione catalitica utilizza un sistema ibrido per realizzare l’accoppiamento di un processo eterogeneo, che si svolge sulla superficie del reattore, e di uno in fase omogenea che assicura il consumo completo del combustibile residuo ad una temperatura relativamente bassa della fiamma adiabatica il cui valore si situa intorno a 1300 °C. La combustione in fase omogenea è essenziale per portare la temperatura dei gas esausti a quella imposta dal ciclo della turbina a gas, dal momento che all’uscita del combustore catalitico il suo valore è inferiore a 900 °C. Va ancora ricordato che la regione a valle del reattore catalitico, progettata in modo che vi si inneschi la combustione spontanea, ha la funzione di evitare il decadimento delle sue prestazioni dovute al processo di disattivazione termica delle specie attive. I modelli matematici, che possono utilizzare uno spazio a una o a più dimensioni, svolgono un ruolo di primo piano per quanto riguarda l’individuazione e la comprensione dei diversi meccanismi che determinano l’evoluzione della combustione catalitica. Essi sono inoltre degli strumenti utili per la progettazione di un letto catalitico con caratteristiche prefissate e per la simulazione del suo funzionamento con particolare riferimento alla determinazione dei profili di temperatura nella fase gassosa e sulla superficie del catalizzatore. È interessante ricordare che l’impiego di un modello unidimensionale ha permesso di produrre risultati utili per individuare i parametri da mettere in relazione con la presenza delle tensioni di origine termica nel catalizzatore. La maggior parte dei modelli numerici attualmente reperibili nella letteratura specializzata sono stati sviluppati per studiare la combustione catalitica alla pressione atmosferica, senza prendere in considerazione il fatto che il trasferimento della tecnologia alle turbine a gas impone di valutare correttamente l’influenza della pressione. È noto infatti che a pressioni elevate la cinetica delle reazioni in fase omogenea entra in competizione con quella del processo catalitico. L’esame dell’influenza della pressione implica inoltre lo sviluppo di modelli bidimensionali per il calcolo dei profili radiali della temperatura e della concentrazione delle specie reattive nella fase gassosa. L’affidabilità del modello unidimensionale richiede infatti la disponibilità di relazioni empiriche realistiche per la determinazione dei coefficienti di trasporto del calore e della materia tra la superficie del catalizzatore e il corpo della fase gassosa.

L’esperienza acquisita indica che le correlazioni attualmente disponibili non forniscono delle indicazioni veritiere quando si è in presenza di reazioni chimiche superficiali poiché esse modificano radicalmente l’efficienza dello scambio termico e di materia. Va anche tenuto conto del fatto che dopo l’innesco il processo di combustione procede secondo un regime diffusivo esterno. Un altro inconveniente dei modelli di letteratura è che essi si basano sulla risoluzione delle equazioni relative ai bilanci di materia e di energia, nell’ipotesi che sia noto il profilo della velocità. È stato tuttavia dimostrato che, considerando la velocità come una variabile indipendente, si ottengono risultati differenti. Ciò significa che la simulazione corretta del funzionamento di un reattore catalitico impone di associare le equazioni di Navier-Stokes ai vincoli relativi ai bilanci precedenti. Va però sottolineato che il ricorso ad un modello bidimensionale richiede di disporre di modelli cinetici atti a rappresentare con una accuratezza accettabile la combustione degli idrocarburi leggeri come, ad esempio, CH 4 e C 3 H 8 sia in fase omogenea che eterogenea. I modelli cinetici sono essenziali per dare una rappresentazione attendibile della realtà complessa che si instaura nei canali attivi di un reattore catalitico strutturato. A tale proposito va ricordato che in seno alla fase gassosa i processi di trasporto dell’energia e della materia si manifestano sia in direzione radiale che in quella assiale e che sulla superficie del catalizzatore avvengono fenomeni di adsorbimento e desorbimento e si verifica la formazione di intermedi di reazione. I modelli cinetici utilizzati più comunemente per schematizzare la combustione degli idrocarburi leggeri sono i meccanismi GRI-Mech, di Marinov, di Mims-Dean, di Warnatz, di Konnon e quello proposto dall’Università di San Diego. Per quanto riguarda la versione 3.0 dello schema GRI-Mech c’è da osservare che il modello è stato validato confrontando le previsioni teoriche con i dati sperimentali ed è stato verificato che esso rimane valido anche quando ci si riferisce a condizioni pressurizzate. Il modello GRI-Mech è stato pertanto integrato nel software commerciale CHEMKIM, che consente anche di tener conto della dipendenza dei parametri cinetici dalla pressione secondo la formulazione di Troe come è stato documentato da Gilbert e collaboratori. Occorre ancora segnalare che il meccanismo GRI-Mech 3.0 è stato impiegato per predire la formazione degli ossidi di azoto. I risultati ottenuti da Glarborg e collaboratori sono molto interessanti perché dimostrano un accordo molto soddisfacente tra i dati teorici e quelli sperimentali ottenuti eseguendo delle prove a 1573 K e fissando il valore della pressione a 1.1 atm. Il modello di Warnatz, proposto per trattare la combustione alla pressione atmosferica e a valori della temperatura superiori a 1200 K, con l’implementazione di Renike e collaboratori riesce a predire con una migliore accuratezza la distanza a cui avviene l’ignizione del combustibile. Gli altri meccanismi non sembrano abbastanza adeguati per esaminare la combustione del gas naturale nelle condizioni tipiche del funzionamento di una turbina a gas. Per quanto riguarda la cinetica dei processi in fase eterogenea Renike et al. hanno mostrato che una rappresentazione realistica della realtà sperimentale richiede il ricorso ad un modello dettagliato. È stato inoltre verificato dal confronto tra le previsioni teoriche e i rilievi sperimentali che gli schemi di Vlachos e

Deutschmann consentono di predire l’innalzamento dell’attività del catalizzatore all’aumentare della pressione, anche se il secondo è in grado di fornire una rappresentazione quantitativa più soddisfacente. Il modello bidimensionale, che si sta sviluppando per tener conto della competizione delle reazioni in fase omogenea e in quella eterogenea, è stazionario ed è basato sulla risoluzione simultanea delle equazioni ottenute dai bilanci della materia, dell’energia e della quantità di moto. L’adozione di un modello 2D elimina le criticità presenti in quello 1D come, ad esempio, la brusca variazione dei numeri di Nusselt e di Sherwood in corrispondenza del punto di innesco della combustione catalitica. Va anche sottolineato che la validità della simulazione con un modello 1D cade generalmente in difetto quando la cinetica dei processi superficiali è abbastanza elevata perché le correlazioni proposte per la determinazione dei parametri più significativi sono imprecise. Il reattore viene schematizzato come un sistema adiabatico dal momento che i letti catalitici per le turbine a gas sono progettati in modo che la superficie di scambio termico per unità di volume sia sufficientemente contenuta. Viene invece trascurata la conducibilità termica longitudinale del supporto poiché i risultati di alcune simulazioni indicano che essa in condizione stazionarie non intervenga sul funzionamento del moduli catalitico. Si assume infine che i canali attivi del reattore abbiano la simmetria cilindrica perché la presenza del washcoat ha l’effetto di arrotondare i loro spigoli. La combustione del gas naturale nella fase omogenea viene schematizzata adottando il modello GRI- Mech 3.0 che è basato sulla considerazione di 5 elementi (C, H, O, N, Ar), 53 specie chimiche e 325 reazioni elementari che nella maggior parte sono reversibili. Per simulare la combustione catalitica viene adottato il meccanismo eterogeneo superficiale di Deutschmann che ingloba 11 specie chimiche e 22 reazioni per descrivere i processi di adsorbimento, di desorbimento semplice e dissociativo e della ricombinazione tra i diversi intermediari. I dati termodinamici e di trasporto richiesti dalla simulazioni vengono presi dal database del software CHEMKIN. Il sistema di equazioni completato con le appropriate condizioni al contorno verrà risolto utilizzando il modulo CRESLAF del pacchetto CHEMKIN. Verrà curata in modo particolare la discretizzazione della regione in modo da avere un numero elevato di celle elementari in prossimità della parete del canale attivo, al suo imbocco dove inizia lo sviluppo dei profili e nelle zone di ignizione. Naturalmente si avrà cura di ottimizzare il numero di celle elementari in modo da raggiungere un compromesso soddisfacente tra il tempo di calcolo e l’accuratezza numerica. L’attività di simulazione inizierà considerando un caso di riferimento, descritto nella tabella, che è stato individuato in base alle condizioni operative di un combustore per turbine a gas.

Tabella Caratterizzazione della simulazione di riferimento catalizzatore Pt combustibile CH 4 P (bar) 10 rapporto equivalente ϕ 0.4 T in (K) 700 u in (ms −1 ) 15 L (mm) 100 d (mm) 1 Successivamente verranno effettuate delle simulazioni cambiando sia le condizioni operative che le dimensione geometriche del reattore catalitico. In particolare si faranno variare i valori della pressione da 5 a 15 bar, mentre quelli di ϕ saranno compresi tra 0.35 e 0.45 per rimanere sempre nell’ambito della combustione magra premiscelata. L’effetto della velocità spaziale sulle prestazioni del catalizzatore verrà esaminato considerando i valori di u in che vanno da 5 a 20 ms −1 .

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