A study has been conducted to clarify NO emission behavior through preferential diffusion effects of $H_2$ and H in methane-hydrogen diffusion flames. A comparison is made by employing three species diffusion models. Special concerns are focused on what is the deterministic role of the preferential diffusion effects in flame structure and NO emission. The behavior of maximum flame temperatures with three species diffusion models is not explained by scalar dissipation rate but the nature of chemical kinetics. The preferential diffusion of H into reaction zone suppresses the populations of the chain carrier radicals and then flame temperature while that of $H_2$ produces the increase of flame temperature. These preferential diffusion effects of $H_2$ and H are also discussed about NO emissions through the three species diffusion models.
Numerical study on preferential diffusion effects in flame structure in $CH_4-H_2$ diffusion flames is conducted with detailed chemistry. Comparison of flame structures with mixture-averaged species diffusion and suppression of the diffusivities of $H_2$ and H was made. Discernible differences in flame structures are displayed with three species diffusion models. The behaviors of maximum flame temperatures with those species diffusion models are not explained by scalar dissipation rate but by the nature of chemical kinetics. It is seen that the modifcation of flame structure is mainly due to the preferential diffusion of H2 and thereby the nature of chemical kinetics. It is also found that the behaviors of major species with the three species diffusion models are addressed to the nature of chemical kinetics, and this is evident by examining importantly contributing reaction steps to the production and destruction of those chemical species.
An axisymmetric laminar jet diffusion flame has been numerically modelled. The present study employs the refined physical submodels to account for the detailed chemical kinetics and the variable transport properties. It is found that preferential diffusion resulting from variable transport properties significantly influences the hydrogen diffusion flame structure in terms of the spatial distribution for temperature, species concentration, thermal and mass diffusivity, Lewis number, and NO concentration. The preferential diffusion effects on the diffusion flame in the high-pressure environment are also discussed in detail.
Numerical study is conducted to grasp flame characteristics in $H_2/CO$ syngas counterflow diffusion flames diluted with He and Ar. An effective fuel Lewis number, applicable to premixed burning regime and even to moderately-stretched diffusion flames, is suggested through the comparison among fuel Lewis number, effective Lewis number, and effective fuel Lewis number. Flame characteristics with and without the suppression of the diffusivities of H, $H_2$, and He are compared in order to clarify the important role of preferential diffusion effects through them. It is found that the scarcity of H and He in reaction zone increases flame temperature whereas that of $H_2$ deteriorates flame temperature. Impact of preferential diffusion of H, $H_2$, and He in flame characteristics is also addressed to reaction pathways for the purpose of displaying chemical effects.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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제32권5호
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pp.737-746
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2008
Numerical study is conducted to grasp preferential diffusion effects on flame characteristics in $H_2/CO$ syn-gas diffusion flames diluted with $CO_2$. The models of Sun et al. and David et al., which have been well known to be best-fitted for $H_2/CO$ synthetic mixture flames. are evaluated for $H_2/CO$ synthetic mixture flames diluted with $CO_2$. Comparison of flame structures with mixture-averaged species diffusion and suppression of the diffusivities of $H_2$ and H was made. The behaviors of maximum flame temperatures with those species diffusion models are not explained by scalar dissipation rate but by the nature of chemical kinetics. Importantly-contributing reaction steps to heat release rate are also compared for the three species diffusion models in $H_2/CO/CO_2$ flames with and without $CO_2$ dilution.
Computational experiments on fundamental un stretched laminar burning velocities and flame response to stretch (represented by the Markstein number) of hydrogen-air flames at high temperatures and pressures were conducted in order to understand the dynamics of the flames including hydrogen as an attractive energy carrier in conditions encountered in practical applications such as internal combustion engines. Outwardly propagating spherical premixed flames were considered for a fuel-equivalence ratio of 0.6, pressures of 5 to 50 atm, and temperatures of 298 to 1000 K. For these conditions, ratios of unstretched-to-stretched laminar burning velocities varied linearly with flame stretch (represented by the Karlovitz number), similar to the flames at normal temperature and normal to moderately elevated pressures, implying that the "local conditions" hypothesis can be extended to the practical conditions. Increasing temperatures tended to reduce tendencies toward preferential-diffusion instability behavior (increasing the Markstein number) whereas increasing pressures tended to increase tendencies toward preferential-diffusion instability behavior (decreasing the Markstein number).
The effects of strain rate and preferential diffusion of $H_2$ on flame extinction are numerically studied in interacting premixed syngas-air flames with fuel compositions of 50% $H_2$ + 50% CO and 30% $H_2$ + 70% CO. Flame stability diagrams mapping lower and upper limit fuel concentrations at flame extinction as a function of strain rate are examined. Increasing strain rate reduces the boundaries of both flammable lean and rich fuel concentrations and produces a flammable island and subsequently even a point, implying that there exists a limit strain rate over which interacting flame cannot be sustained anymore. Even if effective Lewis numbers are slightly larger than unity on extinction boundaries, the shape of the lean extinction boundary is slanted even at low strain rate, i.e. $a_g=30s^{-1}$ and is more slanted in further increase of strain rate, implying that flame interaction on lean extinction boundary is strong and thus hydrogen (as a deficient reactant) Lewis number much less than unity plays an important role of flame interaction. It is also shown that effects of preferential diffusion of $H_2$ cause flame interaction to be stronger on lean extinction boundaries and weaker on rich extinction boundaries. Detailed analyses are made through the comparison between flame structures with and without the restriction of the diffusivities of $H_2$ and H in symmetric and asymmetric fuel compositions. The reduction of flammable fuel compositions in increase of strain rate suggests that the mechanism of flame extinction is significant conductive heat loss from the stronger flame to ambience.
폴리아미드계 역삼투 분리막의 투과성능을 비교하기 위하여 NaCl과 NaOCl을 함유하는 혼합용액을 공급수로 사용하여 연속운전과 단속운전 하에서 실험하여 보았다. 이 결과를 가지고 막 이동 모델의 선택적 적용이 가능함을 제시하고자 하였으며 투과 성능 분석 결과, 용액 확산 모델과 선흡착-모세관이동 모델이 운전 모드에 따라 상대적으로 유용함을 볼수 있었다. 연속 운전에서는 선흡착-모세관이동 모델을, 단속 운전에서는 용액 확산 모델을 따름을 알 수 있었다 NaOCl에 의한 표면 변화를 SEM 사진을 통하여 확인 할 수 있었다. 연속운전 후의 막은 염소 투과 결과 표면에서 부분적인 ridge and valley 구조가 나타났으며 단속 운전 후의 막은 표면 전반에서 변성이 일어난 것을 볼 수 있었다.
The effects of preferential diffusion of hydrogen in interacting counterflow $H_2$-air and CO-air premixed flames were investigated numerically. The global strain rate was varied in the range $30-5917s^{-1}$, where the upper bound of this range corresponds to the flame-stretch limit. Preferential diffusion of hydrogen was studied by comparing flame structures for a mixed average diffusivity with those where the diffusivities of H, $H_2$ and $N_2$ were assumed to be equal. Flame stability diagrams are presented, which show the mapping of the limits of the concentrations of $H_2$ and CO as a function of the strain rate. The main oxidation route for CO is $CO+O_2{\rightarrow}CO_2+O$, which is characterized by relatively slow chemical kinetics; however, a much faster route, namely $CO+OH{\rightarrow}CO_2+H$, can be significant, provided that hydrogen from the $H_2$-air flame is penetrated and then participates in the CO-oxidation. This modifies the flame characteristics in the downstream interaction between the $H_2$-air and CO-air flames, and can cause the interaction characteristics at the rich and lean extinction boundaries not to depend on the Lewis number of the deficient reactant, but rather to depend on chemical interaction between the two flames. Such anomalous behaviors include a partial opening of the upper lean extinction boundary in the interaction between a lean $H_2$-air flame and a lean CO-air flame, as well as the formation of two islands of flame sustainability in a partially premixed configuration with a rich $H_2$-air flame and a lean CO-air flame. At large strain rates, there are two islands where the flame can survive, depending on the nature of the interaction between the two flames. Furthermore, the preferential diffusion of hydrogen extends both the lean and the rich extinction boundaries.
The unique feature of pervaporation is the mass transfer from a liquid phase to a vapor phase through a non-porous polymeric membrane. When a liquid mixture is brought into contact with a membrane at one side, it is sorbed into the membrane. Due to a driving force applied across the membrane, the sotbed liquid molecules permeate through the membrane and evaporate at the downstream side of the membrane. In pervaporation the permeated species are usually removed from the downstream side under a relatively low vapor pressure, for example by evacuation with a vacuum pump. As far as this condition is fulfilled, the evaporation step can be considered to be much faster than sorption or diffusion. Hence evaporation does not contribute to permselectivity. Therefore the separation by pervaporation results from the differences in the preferential sorption of the individual components of a mixture into the membrane together with the diffusion rates through the membrane. This postulation implies that both sorption and diffusion phenomena have to be accounted for to understand the physico-chemical nature of the pervaporation separation process.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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