Si consideri un reattore adiabatico al cui interno è condotta la reazione di combustione del propano con aria:

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1 Dpartmento d Energa oltecnco d Mlano azza Leonardo da Vnc - 1 MILAN Eserctazon del corso FNDAMENI DI RESSI HIMII ro. Ganpero Gropp ESERIAZE 1 alcolo della temperatura adabatca d combustone del propano. S consder un reattore adabatco al cu nterno è condotta la reazone d combustone del propano con ara: H H Sulla base de dat ornt, s calcol la temperatura d uscta de gas dal reattore ( U ) ne tre cas seguent: 1) almentazone stechometrca de reagent ) ara almentata n eccesso del % ) con rermento al caso d eccesso d ara, s potzz che per un problema d cattva conduzone della reazone, venga prodotto n uscta, con selettvtà del 1% rspetto alle d carbono convertte. DAI: orrente H 8 : = 5 = 1 ata ΔH H 8 (5 ) = - kj/ orrente Ara: = 5 = 1 ata U.R. = % SA H(5 ) =.19 ka orrente : U =? = 1 ata ΔH (5 ) = -8 kj/ Ipotes: Reattore adabatco 1

2 Spece a b c N.8 5.9E- -.E E E+5 H.7 1.5E- 1.1E+.9 5.E- -.7E E- -.1E+ R c a b gas J K n K orrelazone da J.M. Smth, H.. Van Ness, M. M. Abbott, Introducton to hemcal Engneerng hermodynamcs, 7th edton, McGraw Hll (5). Rsoluzone aso 1 S scrve l blanco materale per ogn componente della reazone e s scegle una base d calcolo. La scelta della base è arbtrara. In questo caso, è convenente sceglere una base d 1 /s d propano n ngresso. La quanttà d n ngresso è rcavata dalla stechometra d reazone ed è par a 5 /s. La quanttà d N provenente all ara (.1% e.79% N su base are), è calcolata a partre dall ossgeno ntrodotto per la combustone del propano:.79 N s La quanttà d H n ngresso è calcolata a partre dal dato d umdtà relatva U.R. come segue: U. R. Sat y In Sat 5 Ara y U. R. Sat y Ara Ara yh 1 y.55

3 Noto che la reazone d combustone avvene con conversone completa d propano, è possble calcolare luss ar n uscta dal reattore e rsolvere l problema de blanc materal al reattore. omposzone n n (/s) x n (%) n out (/s) x out (%) H N H otale La quanttà n uscta d H è data dalla somma della quanttà d acqua ntrodotta dall ara attraverso l umdtà e dell acqua prodotta durante dalla reazone. È mportante notare che la scelta d una base d calcolo derente camba l valore de luss ar al reattore n ngresso e n uscta, ma non camba la composzone delle mscele. S mposta l blanco entalpco al reattore. La condzone d adabatctà mpone: H U H La valutazone de luss entalpc rchede l adozone d un opportuno stato d rermento. S consder per esempo l seguente stato d rermento: pressone, temperatura e composzone a cu è noto l ΔH del combustble. Nel caso del propano ΔH (5, 1 atm) = - kj/. Adottando questo rermento, è possble scrvere l blanco entalpco nella orma: rodott U n 1 U Reagent d n H 98K 1 98K 98K n d Nell equazone, n corrsponde al numero d d combustble convertte. S nota che la stessa equazone può essere rscrtta acendo uso del concetto d potere calorco nerore (I), coerentemente allo stato d vapore dell acqua prodotta n uscta al reattore. n H 98 K n I

4 Integrando l espressone de calor specc, s ottene un equazone nella sola ncognta della temperatura d uscta. b c b c d a a K Svolgendo calcol, s ottene la seguente equazone rsolutva: Da cu s rcava: U = 9.59 K È possble sceglere stat d rermento derent per la scrttura del blanco entalpco del sstema reagente, pervenendo a espresson equvalent. Adottando come stato d rermento: pressone d rermento RIF, temperatura d rermento RIF, spece elementar è possble rcavare attraverso opportun passagg la orma precedente. In entramb cas, l equazone d blanco entalpco rappresenta un equazone nell unca ncognta temperatura adabatca d uscta, essendo note le composzon da blanc materal. Adottando come rermento le spece elementar a pressone e temperatura d rermento, l equazone rsolutva prevede d mpostare la soluzone a partre dalla denzone d entalpa are specca h () della sngola spece a temperatura, come segue: h H rodott U n 1 h F, RIF n h U RIF Reagent 1 d I ΔH F, delle sngole spece sono tabulat all nterno d database termodnamc, n cu, generalmente, RIF = 98K e RIF = 1 atm. aso In questo caso, è assegnato l valore dell ara n eccesso e%. La procedura d rsoluzone non camba, va scelta una base e vanno mpostat blanc materal per cascun componente della reazone. Mantenendo la base nalterata (1 /s H 8 ), s calcola la portata are d n almentazone a partre dalla stechometra d reazone e dalla denzone d eccesso:

5 e% stech stech 1 e% stech, stech, 1 stech, e% / s 1 onvene notare che la portata are d n uscta è: out e% stech / s, 1 rocedendo n manera analoga a quanto vsto nel caso 1, s rsolve l problema de blanc materal al reattore d combustone. omposzone n n (/s) x n (%) n out (/s) x out (%) H N H otale Anche l blanco entalpco rmane nalterato. Svolgendo calcol, s ottene la seguente equazone rsolutva: Da cu s rcava: U = K L ara aggunta n eccesso rspetto allo stechometrco agsce come dluente termco abbassando sgncatvamente la temperatura adabatca d combustone. 5

6 aso artendo dal caso d almentazone con ara n eccesso, s analzza l caso n cu vene ormato ne um d combustone con selettvtà S del 1% rspetto alle d carbono convertte. È possble pensare al come prodotto della reazone d composzone della ottenuta n quanttà stechometrca dalla combustone del propano: + 1/ Rchamando la denzone d selettvtà, s ottene: S prodotte reagte H8 prodotte convertte prodotte. / s È qund possble calcolare la composzone d uscta attraverso l applcazone de blanc atomc per cascun elemento ntrodotto nel sstema reagente, mpostando l sstema: bl : n H 8 n U n U bl : n n n U H 8 n U n U n U n U bl H : 8 n H 8 n Da cu s rcavano le portate ar e le composzon d uscta dal reattore d combustone. omposzone n n (/s) x n (%) n out (/s) x out (%) H N H ome ne cas precedent, nella scrttura del blanco entalpco, è convenente adottare lo stato d rermento che tene conto della pressone, della temperatura e della composzone a cu è noto l ΔH del combustble. In quest ottca, la reazone d decomposzone della a dare rappresenta una penalzzazone per l

7 potere calorco rlascato durante la combustone. A questa reazone è d atto assocato l nverso del ΔH d combustone della reazone d ossdazone del (ΔH = -8 KJ/). Il blanco entalpco vene qund scrtto nella seguente orma: rodott U n 1 U Reagent d n H, H8, 98K 1 98K 98K n H 98K n d Svolgendo calcol, s ottene la seguente equazone rsolutva: Da cu s rcava: U = K La combustone ncompleta nluenza sa la composzone che l contenuto entalpco de um. Quest ultmo camba n due mod: uno, margnale, dpende dalla modca del valore del calore sensble assocato alla varazone d composzone dovuta alla presenza d ; l altro, domnante, assocato alla penalzzazone del potere calorco dovuta alla mancata combustone d. La perdta entalpca assocata alla ormazone d non è completa: a ronte d una selettvtà del 1%, s calcola un calo d calore sensble ne um par al 5%. Questo eetto è dovuto al atto che o è un prodotto parzalmente ossdato che contrbusce a un certo recupero energetco. 7