Fizikai kémia és elméleti kémia (Műszaki és Természettudományok Kollégiuma)
100 %
Ortelius tudományág: Fizikai kémia
zsűri
Kémia 1
Kutatóhely
Kémiai Intézet (Eötvös Loránd Tudományegyetem)
résztvevők
Bruck József Busai Ágota Pálvölgyi Róbert Pálvölgyi Róbert Valkó Éva Zsély István Gyula
projekt kezdete
2011-07-01
projekt vége
2016-06-30
aktuális összeg (MFt)
24.341
FTE (kutatóév egyenérték)
8.82
állapot
lezárult projekt
magyar összefoglaló
A H2-CO-levegő gázelegyek égését pontosan leíró részletes reakciómechanizmusok felhasználhatók a szintézisgázzal működtetett gázturbinák továbbfejlesztésére. A számítógéppel segített tervezési (CAD) módszerek felhasználásával javítható a gázturbinák hatékonysága és csökkenthető a kibocsátott szennyezőanyagok mennyisége. A szokásos módszer szerint az égési mechanizmusok sebességi paramétereit az egyes reakclólépések sebességi együtthatóinak meghatározására kifejlesztett ún. közvetlen mérésekkel határozzák meg, míg a reakciómechanizmusokat úgy vizsgálják, hogy a közvetett mérések eredményét hasonlítják össze a megfelelő szimulációk eredményével. Az ilyen közvetett mérésekben például gyulladási időt, lángsebességet, vagy időbeni illetve térbeli koncentrációprofilokat határoznak meg különféle reakciókörülményeknél. A elmúlt évtizedekben kifejtett jelentős kutatási erőfeszítések ellenére a mostani legkorszerűbb reakciómechanizmusokban is a sebességi együtthatók bizonytalansága nagy (jellemzően 30%-50%) és a mechanizmusokkal kapott szimulációs eredmények gyakran rosszul közelítik a közvetett kísérletek eredményeit. A kutatómunka során meghatározzuk a hidrogén-levegő és hidrogén-CO-levegő gázelegyek legfontosabb reakciólépéseihez tartozó A, n, E Arrhenius paramétereket úgy, hogy egyszerre használjuk fel a közvetlen és közvetett mérések eredményét. A várható eredmény nem csak egy megbízhatóbb részletes reakciómechanizmus a H2-CO-levegő gázelegyek égésének leírására, de meghatározzuk a kritikus sebességi paraméterek bizonytalanságát is.
angol összefoglaló
Detailed reaction mechanisms that quantitatively describe the combustion of hydrogen-CO-air mixtures are applicable for the optimization gas turbines operated with syngas. The computer aided design (CAD) of gas turbines allows the improvement of the fuel efficiency and the decrease of the emission of pollutants. Traditionally, rate parameters of combustion mechanisms are determined in direct measurements and the mechanisms are tested on the results of bulk experiments. In these bulk experiments, flame velocity, time-to-ignition or spatial/temporal species profiles are determined at various experimental conditions. Despite the huge efforts of the gas kinetics community in the last decades, the rate parameters of the current mechanisms have large uncertainty (typically 30% to 50%) and therefore the simulation results frequently do not reproduce well the results of bulk experiments. The aims of the project include the determination of Arrhenius parameters A, n, E of all important reactions in the hydrogen-air and wet CO-air mixtures using the experimental data for both the direct and bulk measurements. The expected outcome is not only a more reliable detailed mechanism for the combustion of hydrogen-CO-air mixtures, but also a good characterization of the uncertainties of the critical rate parameters.
Zárójelentés
kutatási eredmények (magyarul)
Egy új reakciómechanizmus-optimalizációs módszert dolgoztunk ki, amelynek fő tulajdonságai a következők: nagy számú közvetlen és közvetett mérési adatot használunk; a fontos reakciók mindhárom (A, n, E) Arrhenius-paraméterét illesztjük; új algoritmust fejlesztettünk ki a globális paraméterbecslésre; becsüljük az illesztett sebességi paraméterek együttes bizonytalanságát irodalmi adatok alapján. Összegyűjtöttük, digitalizáltuk és egy adatbázisban közreadtuk csaknem az összes mérési adatot a hidrogén és szintézisgáz égésének vizsgálatára. Egy új reakciómechanizmust hoztunk létre a hidrogén és szintézisgáz égésének leírására, amely jobbnak bizonyult, mint az összes eddig közölt mechanizmus. Egy továbbfejlesztett HDMR globális érzékenységanalízis módszert hoztunk létre, amely alkalmas korrelált sebességi paraméterekkel jellemezhető reakciómechanizmusok vizsgálatára. A ReactionKinetics nevű új programcsomaggal homogén reakciórendszerek vizsgálhatók. A program számítja a mechanizmusok strukturális jellemzőit, és képes determinisztikus és sztochasztikus szimulációkra. A programmal összehasonlítottuk a hidrogén, a szintézisgáz és a metanol égése több tucat reakciómechanizmusát. Új megközelítéseket dolgoztunk ki a reakciókinetikai modellezés olyan területein, mint az inverz feladatok, első integrálok, részletes kiegyensulyozottság, operátorhasítás, hiszterézis, káosz és vezérelhetőség.
kutatási eredmények (angolul)
A new mechanism optimization methodology was developed with the following main features: large number of direct and indirect (“bulk”) experimental data is used; all Arrhenius parameters (A, n, E) of the important reactions are optimized; a new algorithm is used for global parameter estimation; the joint uncertainty of the rate parameters is determined. Almost all indirect experimental data ever published related to hydrogen and syngas combustion systems were collected, encoded and published in a database. A new hydrogen and syngas combustion mechanism was created and it proved to be better than all previously published mechanisms. An extended HDMR global uncertainty analysis method was developed to investigate mechanisms with correlated rate parameters. A program package called ReactionKinetics was developed to study homogeneus reaction systems. It calculates structural characteristics of the mechanisms, and simulates deterministic and stochastic models. A few dozen reaction mechanisms of the combustion of hydrogen, carbon monoxide and methanol were compared using this program. New approaches of chemical kinetic modelling have been developed in areas like inverse problems, first integrals, detailed balance, splitting, hysteresis, chaos, and controllability.
T. Nagy, C. Olm, I. Gy. Zsély, T. Varga, R. Pálvölgyi, É. Valkó, G. Vincze, T. Turányi: Optimisation of a hydrogen combustion mechanism, Proceedings of the European Combustion Meeting 2013, Paper P4-14. ISBN 978-91-637-2151-9., 2013
T. Turányi, A.S. Tomlin: Storage of chemical kinetic information, Chapter 19 in: Development of detailed chemical kinetic models for cleaner combustion, Springer, Heidelberg, 2013
Bányai István, Gáspár Vilmos, Horváthné Csajbók Éva, Kiss Éva, Nagy Noémi, Póta György, Purgel Mihály, Turányi Tamás, Viskolcz Béla: Modern fizikai kémia, Debrecen-Budapest-Szeged,, 2013
Takács Bálint: A fluxusgráfok és a Feinberg–Horn–Jackson-gráf kapcsolatáról, Studia Ignatiana VII. A Szent Ignác Jezsuita Szakkollégium hallgatóinak tanulmányai (szerk. Pintér Melinda, Tamás Réka, fk. dr. Feledy Botond), pp. 149–160., 2015
Südy Barbara: Real-time optimization using time series data, BME BSc szakdolgozat, 2015
Zsámboki Bettina: Adott tulajdonságú indukáló reakciók keresése szimbolikus és numerikus módszerekkel kinetikai differenciálegyenletekhez, BME BSc szakdolgozat, 2016
