Skeletal reduction of detailed kinetics mechanisms for biofuels

Abstract

A redução esquelética é o primeiro passo para a redução de mecanismos cinéticos detalhados. Este tipo de redução elimina espécies e reações que não são realmente importantes para a caraterização de um grupo de espécies objetivo sob determinadas condições. A redução esquelética assegura uma grande percentagem de redução de forma relativamente rápida. No presente trabalho, a redução esquelética de dois mecanismos cinéticos detalhados, um para o etanol e outro para ésteres metílicos, é realizada com base no cálculo de parâmetros como o tempo de atraso da ignição (IDT), a velocidade da chama laminar (LFS) e a medição da concentração de espécies em reatores como o Jet Stirred Reator (JSR) e numa vasta gama de condições. O mecanismo detalhado de Creck para o etanol com 621 espécies e 27829 reacções e o mecanismo de Creck para C1-C16 a alta e baixa temperatura e Metil-Esteres com 582 espécies e 21174 reacções foram reduzidos. Foi utilizada uma combinação de 25% de decanoato de metilo (MD), 25% de 9-decenoato de metilo (MD9D) e 50% de n-heptano como substituto do biodiesel. As reduções em número de espécies foram realizadas utilizando os métodos em grafos de relação dirigida (DRG) e grafos de relação dirigida com propagação de erro (DRGEP). E as reduções em número de reações foram efetuadas utilizando os métodos de redução direta (DR), análise de fluxo de reações (RFA), coeficientes de sensibilidade normalizados da taxa (NRSC) e análise do índice de produção de espécies. Foi definido um conjunto estático de espécies objetivos e foi estabelecido um processo de amostragem para diminuir o tempo computacional necessário. Foi definido um processo de controlo de erros para garantir que o erro do mecanismo reduzido em relação ao mecanismo detalhado não excedesse os limites. O mecanismo do etanol foi reduzido com a combinação dos métodos DRGEP+DR, obtendo-se um mecanismo de 173 espécies e 2641 reações, ou seja, uma redução de 72.14% nas espécies e de 90.51% nas reações. O mecanismo para o biodiesel foi reduzido com a combinação dos métodos DRGEP+RFA obtendo-se um mecanismo de 309 espécies e 4193 reações, ou seja, 46.91% de redução nas espécies e 80.20% nas reações.

Abstract: Skeletal reduction is the first step in the reduction of detailed kinetic mechanisms. This type of reduction eliminates species and reactions that are not really important for the characterization of a target species group under certain set conditions. Skeletal reduction ensures a large percentage reduction relatively quickly. In the present work the skeletal reduction of two detailed kinetics mechanisms, one for ethanol and one for methyl esters, is performed based on the calculation of parameters such as ignition delay time (IDT), laminar fame speed (LFS) and measurement of species concentration in reactors such as the Jet Stirred Reactor (JSR) and over a wide range of conditions. Detailed Creck?s mechanism for ethanol with 621 species and 27829 reactions and Creck?s mechanism for C1-C16 at high and low temperature and Methyl-Esters with 582 species and 21174 reactions were reduced. A combination of 25% methyl decanoate (MD), 25% methyl 9-decenoate (MD9D) and 50% n-heptane was used as a diesel substituent. Reductions in the number of species were performed using directed relation graph (DRG) and directed relation graph with error propagation (DRGEP) methods. Reductions in the number of reactions were carried out using direct reduction (DR), reaction flow analysis (RFA), normalized rate sensitivity coefficients (NRSC), and rate of production index analysis (ROPI) methods. A static set of important species was defined, and a sampling process was established to decrease the computational time required. An error control process was defined to ensure that the error of the reduced mechanism relative to the detailed mechanism did not exceed limits. The mechanism for ethanol was reduced with the combination of DRGEP+DR methods obtaining a mechanism of 173 species and 2641 reactions, i.e. 72.14% reduction in species and 90.51% in reactions. The mechanism for biodiesel was reduced with the combination of DRGEP+RFA methods obtaining a mechanism of 309 species and 4193 reactions, that is, 46.91% reduction in species and 80.20% in reactions.