Simulação de auto-ignição e propagação de chamas liminares de Etanol, N-Heptano e Isoctano com modelos cinéticos detalhados.

Abstract

Resumo: Diferentes modelos cinéticos detalhados envolvendo entre 46 a 1034 espécies e 235 a 4235 reações elementares foram utilizados para investigação teórica dos fenômenos de auto-ignição e propagação de chamas laminares de etanol, n-heptano e isoctano. Simulações em reatores tubulares ideais (PFR) de volume constante foram realizadas para reproduzir temperaturas de auto-ignição (TAI) e atrasos de ignição (AI) encontrados experimentalmente em vasos explosivos e em tubos de choque, respectivamente. Perfis de concentração de espécies estáveis (H2O, CO e O2) durante a oxidação dos combustíveis mencionados em PFR’s a pressão constante e reatores de mistura perfeita (PSR) também foram calculados. Resultados experimentais e estimados das referidas variáveis foram comparados a fim de verificar a validade dos modelos cinéticos investigados. Dois modelos cinéticos detalhados para oxidação de etanol (1E) e gasolina (1LT) foram selecionados a partir desta análise, e utilizados para cálculo de propagação de chamas livres, pré-misturadas, homogêneas, adiabáticas, estacionárias e unidimensionais de etanol, n-heptano e isoctano. Um sistema de equações diferenciais ordinárias resultantes de balanços de massa e energia foi empregado no cálculo das velocidades de chama. As mencionadas equações são idênticas às encontradas para representar um PFR de volume constante, porém consideram termos de dispersão axial e de condução de calor da mistura. Os dois modelos cinéticos selecionados reproduziram os resultados experimentais das propriedades investigadas com desvios reduzidos, sem envolver qualquer procedimento de ajuste de parâmetros. A consistência dos modelos 1E e 1LT permite que os mesmos sejam aplicados para desenvolvimento de um mecanismo detalhado para combustão de misturas de etanol, n-heptano e isoctano. Este modelo alternativo seria de grande utilidade na definição de procedimentos de prevenção de explosões ou incêndios nas crescentes operações de estocagem e transporte de misturas comerciais de bioetanol-gasolina, bem como na definição de condições ótimas de queima destas misturas com o objetivo de maximizar a geração de energia ou trabalho e reduzir emissões de poluentes como CO, NOx e hidrocarbonetos não-queimados.

Abstract: Different detailed kinetic models with a number of elementary reactions in the range of 235 to 4235 involving between 46 and 1034 chemical species were used to investigate theoretically the autoignition and freely propagating laminar flames of ethanol, n-heptane and iso-octane. Simulations in ideal tubular reactors at constant volume were performed to reproduce data of autoignition temperatures and ignition delays experimentally found in explosion vessels and shock tubes, respectively. Concentration profiles of stable chemical species (H2O, CO and O2) for the oxidation of the investigated fuels in plug flow reactors at constant pressure and in continuous stirred reactors were also estimated. Experimental and calculated results of the aforementioned variables were compared in order to verify the reliability of the detailed kinetic models. Based on this comparison two kinetic models for ethanol (1E) and gasoline oxidation (1LT) were elected to calculate premixed, steady, homogenous, adiabatic and one-dimensional flame propagation of ethanol, n-heptane and iso-octane. A system of ordinary differential equations emerged from mass and energy balances were applied to compute the flame speeds at these conditions. These models are identical to those founds to represent reactions in a plug flow reactor at constant volume, but they take terms of axial dispersion and thermal conduction of the mixture into account. Both the chosen detailed kinetic models for ethanol and gasoline oxidation correctly reproduced the experimental results of the investigated properties without involving any procedure of tuning. The reliability of the model 1E and 1LT allows applying them for the development of a detailed kinetic mechanism for combustion of blends of ethanol, n-heptane and iso-octane. This novel kinetic model would be useful to define procedures to prevent explosions and fires in the growing storage and transport operations of commercial mixtures of bioethanol-gasoline. Moreover it would be an important tool to optimize industrial burning operations in order to maximize energy and work production or to reduce emission of pollutants, such as CO, NOx and unburned hydrocarbons