Esercizi di analisi della combustione

Esercizio n. 1Un combustibile gassoso abbia la seguente composizione volumetrica: CH4 84,1% C2H6 (etano) 6,7% CO2 0,8% N2 8,4%Si calcoli l’aria stechiometrica di combustione di 1 m3 di questo combustibile ed il volume dei fumi

Si deve tenere presente che la combustione di 1 mole di CH4 richiede 2 moli di O2 ed ogni mole diO2 richiede 4,76 moli d’aria.La legge di Amagat-Leduc suggerisce che la frazione volumetrica e la frazione molarecorrispondono così in 1 mole di gas vi sono 0,841 moli di CH4. Queste richiedono 0,841x2 =1,682moli di O2 e quindi 1,682x4,76=8,01 moli d’aria.Con analoghe considerazioni il C2H6 richiede 3,5 moli di O2 per mole e in definitiva servono0,067x3,5x4,76=1,12 moli d’aria.Non vi sono altri componenti interessati alla combustione.Quindi l’aria stechiometrica è data da:

8,01+1,12=9,13 moli d’aria per mole di combustibileSi conclude sempre per la legge di Amagat-Leduc che per m3 di combustibile servono 9,13 m3

d’aria.Per quanto riguarda i prodotti della combustione, per ogni mole di CH4 si ha 1 mole di CO2 e 2 molidi H2O, quindi in termini volumetrici 0,841 e 1,682 m3 per m3 di combustibile, mentre per C2H6 sihanno 2 moli di CO2 e 3 moli di H2O, quindi 0,067x2=0,134 m3 e 0,067x3=0,201 m3.Si ritrovano inalterati inoltre CO2 e N2 già presenti nel combustibile. Infine N2 è presente nellaproporzione del 79% nei 9,13 m3 di aria stechiometrica di combustione: 0,79x9,13=7,22.In totale il volume dei pdc deriva dalla seguente somma:0,841+1,682+0,134+0,201+0,008+0,084+0,722=10,17 m3

Esercizio n. 2

Un carbone ha la seguente composizione elementare: [S] 2,3% [H2] 9,7% [C] 85,6% [O2] 2,0% ceneri 0,4%Determinare l’aria stechiometrica di combustione per 1 kg di carbone e il corrispondente volumedei fumi.

Dalla reazione chimica dello zolfo:

S + O2 SO2

Si ha che 32 kg di S reagiscono con 32 kg di O2 per dare 64 kg di SO21 kgmole d’aria è costituito da0,21x32+0,79x28=29 kgper ciò per avere 1 kg di O2 si devono avere 29/(32x0,21)=4,29 kg di aria, in cui vi sono 3,29 kg diN2.In 1 kg di combustibile vi sono 0,023 kg di S che richiedono 0,023x4,29=0,099 kg d’aria.Da parte sua 1 kg di H2 richiede 8 kg di O2, da cui 0,097x8x4,29=3,33 kg d’ariaInfine 1 kg di C richiede 32/12=2,67 kg di O2, da cui 0,856x2,67x4,29=9,80kg d’aria.Dato che nel combustibile sono presenti 0,02 kg di O2, all’aria stechiometrica vanno tolti0,02x4,29=0,09 kg d’aria.In totale l’aria stechiometrica è quindi data da:0,10+3,33+9,80-0,09=13,14 kgEssi corrispondono a 13,14/29 = 0,453 kgmole d’aria.In termini volumetrici standard si può impiegare la legge di gas ideali:

I pdc sono dati da N2 nella misura di 13,14*3,29/4,29=10,1 kgCO2 0,856(1+2,67)=3,14 kgSO2 0,023x2=0,046 kgH2O 0,097(1+8)=0,87 kgIn totale si ha cioè:10,1+3,14+0,05+0,87=14,14 kgSi poteva arrivare alla medesima conclusione sommando a 1 kg di combustibile (tolte le ceneri)l’aria di combustione.In termini volumetrici si hanno i seguenti kgmole: N2 0,362 CO2 0,071 H2O 0,048 SO2 0,0007In totale 0,482 kgmole che dà luogo ad un volume di pdc pari a 11,39 m3/kg carbone.

38314 2880,453 10,7 m101325V

Esercizio n 3

Un gas naturale è costituito per l’83% da metano (CH4), per il 16% da etano (C2H6), per l’1% daN2 ed è bruciato con eccesso d’aria del 15%, usando aria a 32°C con 27°C a bulbo bagnato. I fumisono scaricati alla temperatura di 199°C. Non vi sono incombusti nei pdc. Il PCS del combustibileè pari a 9994 kcal/m3.Determinare il rendimento di combustione sia rispetto al PCS che al PCI.

Il calcolo si svolge relativamente a 100 kgmoli di gas.

O2ex 0,15x222=33,3N2 nell’aria 255,3x3,76=959,9Aria fornita O2+N2 959,9+255,3=1215,2H2O nell’aria 1215,2x29x0,02/18=39,2Aria umida fornita 1215,2+39,2=1254,4 moli

Totale fumi umidi 115+33,3+960,9+253,2+39,2= 1362,4 moliTotale fumi secchi 1109,2 moli

Moli per 100 moli di gas Moli C Moli H2 Moli N2

CH4 83 83 166 /C2H6 16 32 48 /N2 1 / / 1Totale 100 115 214 1

Composizione dei fumiCostituente M Moli O2 moltiplicatore O2 teorico CO2+SO2 O2 N2 H2O COCCO2 12 115 1 115 115 / / / /CCO 12 / 0,5 / / / / / /

H2H2O 2 214 0,5 107 / / / 214 /

N2 28 1 / / / / 1 / /Totale 222 115 214

O2ex 33,3 33,3 959,9 39,2TOTALI 255,3 115 33,3 960,9 253,2

La temperatura t2 è quella di scarico dei fumi, mentre la t1 è quella dell’aria di combustione (nelcaso trattato 32°C).Il calore specifico molare va calcolato al valore medio fra le due temperature.Il PCS del gas naturale considerato è 9994 kcal/m3.Il volume di 100 moli in condizioni standard (15°C e 101325 Pa) è:

In totale l’energia in gioco è data da 9994x2363,1=2,3618x107 kcal/100 moliLe perdite sono date da:3,928306x106/2,3618x107 = 0,166 rispetto al PCSIl PCI si può valutare da:

9994-2235239/2363,1=9048 kcal/m3

Calore specifico molare dei prodotti della combustione

Composizione dei fumi CO2+SO2 O2 N2 H2OMoli 115 33,3 960,9 253,2Calore specifico molare (kJ/kgmoleK) 39,8 30,6 29,3 34,3Calore specifico molare (kcal/kgmoleK) 9,5 7,3 7 8,2Mcp(t2-t1) (kcal) 182447,5 40596,03 1123292 Mcp H2O nell'aria 53680Mcp H2O nei pdc 293052calore latente 2235239Entalpia totale fumi umidi 3928306Entalpia sensibile 1693068

V n RTp

100 8314 288101325

100 23 631 23631, , m3

Perdite rispetto a PCI: 1693068/(9048x2363,1)=0,079Verifica sull’eccesso d’aria:

Analisi degli inquinanti

Si rilevi una presenza di NO pari a 120 ppm. Si eseguano le trasformazioni in altre unità.

A) 120 ppm=120x10-6 m3/m3 fumi secchi ovvero 120x10-6 moli/moli fumi secchi

Strada AVolume standard fumi secchi

Volume di NO: 120x10-6x26211=3,15 m3 di NO da cui:

Strada B

120x10-6x1109,2=0,133 moli di NO

massa molecolare di NO=30 da cui0,133x30=4 kg ovvero

Concentrazione di inquinanti: 4x106/26211=152 mg/m3

Trasformazione in [O2]=0%Le moli nei fumi diminuiscono complessivamente di 33,3 (eccesso di [O2])x4,76=158,5 moliI fumi passano a 950,7 moli con un volume di:

Ora la concentrazione di inquinanti è: 4x106/22466=178 mg/m3

Ovvero 0,133/950,7=178x10-6/30=140 ppm

Infine si può eseguire il calcolo in mg/kWh:

1 m3 di gas può fornire 9048 kcal, cioè 9048/860=10,52 kWh, ma con un rendimento del 92% nerende 10,52x0,92=9,7 e produce 26211/2363,1=11,09 m3 di fumi che contengono 152 mg di NO.Si ha quindi:

[ ]

, [ ] [ ]

,,

, ( ,, ,

) ,,

,,O

N O2

2 20 266

33 31109 2

0 266 959 91109 2

11109 2

33 31109 2

30 266 87 3

0 15

V n RTp

1109 2 8314 288101325

26211, m3

nx

315 1013258314 288

0 133, , moli di NO

V n RTp

950 7 8314 288101325

22466, m3

152 11,099,7

mg / kWh 174