Esercizi di analisi della combustione

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Vittore Marconi
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1 Esercizi di analisi della combustione Esercizio n. 1 Un combustibile gassoso abbia la seguente composizione volumetrica: CH 4 84,1% C 2 H 6 (etano) 6,7% CO 2 0,8% N 2 8,4% Si calcoli l aria stechiometrica di combustione di 1 m di questo combustibile ed il volume dei fumi Si deve tenere presente che la combustione di 1 mole di CH 4 richiede 2 moli di O 2 ed ogni mole di O 2 richiede 4,76 moli d aria. La legge di Amagat-Leduc suggerisce che la frazione volumetrica e la frazione molare corrispondono così in 1 mole di gas vi sono 0,841 moli di CH 4. Queste richiedono 0,841x2 =1,682 moli di O 2 e quindi 1,682x4,76=8,01 moli d aria. Con analoghe considerazioni il C 2 H 6 richiede,5 moli di O 2 per mole e in definitiva servono 0,067x,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=9,1 moli d aria per mole di combustibile Si conclude sempre per la legge di Amagat-Leduc che per m di combustibile servono 9,1 m d aria. Per quanto riguarda i prodotti della combustione, per ogni mole di CH 4 si ha 1 mole di CO 2 e 2 moli di H 2 O, quindi in termini volumetrici 0,841 e 1,682 m per m di combustibile, mentre per C 2 H 6 si hanno 2 moli di CO 2 e moli di H 2 O, quindi 0,067x2=0,14 m e 0,067x=0,201 m. Si ritrovano inalterati inoltre CO 2 e N 2 già presenti nel combustibile. Infine N 2 è presente nella proporzione del 79% nei 9,1 m di aria stechiometrica di combustione: 0,79x9,1=7,22. In totale il volume dei pdc deriva dalla seguente somma: 0,841+1,682+0,14+0,201+0,008+0,084+0,722=10,17 m

ed il volume dei fumi Si deve tenere presente che la combustione di 1 mole di CH 4 richiede 2 moli di O 2 ed ogni mole di O 2 richiede 4,76 moli d aria.

2 Esercizio n. 2 Un carbone ha la seguente composizione elementare: [S] 2,% [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 volume dei fumi. Dalla reazione chimica dello zolfo: S + O 2 SO 2 Si ha che 2 kg di S reagiscono con 2 kg di O 2 per dare 64 kg di SO 2 1 kg mole d aria è costituito da 0,21x2+0,79x28=29 kg per ciò per avere 1 kg di O 2 si devono avere 29/(2x0,21)=4,29 kg di aria, in cui vi sono,29 kg di N 2. In 1 kg di combustibile vi sono 0,02 kg di S che richiedono 0,02x4,29=0,099 kg d aria. Da parte sua 1 kg di H 2 richiede 8 kg di O 2, da cui 0,097x8x4,29=, kg d aria Infine 1 kg di C richiede 2/12=2,67 kg di O 2, da cui 0,856x2,67x4,29=9,80kg d aria. Dato che nel combustibile sono presenti 0,02 kg di O 2, all aria stechiometrica vanno tolti 0,02x4,29=0,09 kg d aria. In totale l aria stechiometrica è quindi data da: 0,10+,+9,80-0,09=1,14 kg Essi corrispondono a 1,14/29 = 0,45 kg mole d aria. In termini volumetrici standard si può impiegare la legge di gas ideali: V 0,45 10,7 m I pdc sono dati da N 2 nella misura di 1,14*,29/4,29=10,1 kg CO 2 0,856(1+2,67)=,14 kg SO 2 0,02x2=0,046 kg H 2 O 0,097(1+8)=0,87 kg In totale si ha cioè: 10,1+,14+0,05+0,87=14,14 kg Si 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 kg mole : N 2 0,62 CO 2 0,071 H 2 O 0,048 SO 2 0,0007 In totale 0,482 kg mole che dà luogo ad un volume di pdc pari a 11,9 m /kg carbone.

3 Esercizio n Un gas naturale è costituito per l 8% da metano (CH 4 ), per il 16% da etano (C 2 H 6 ), per l 1% da N 2 ed è bruciato con eccesso d aria del 15%, usando aria a 2 C con 27 C a bulbo bagnato. I fumi sono scaricati alla temperatura di 199 C. Non vi sono incombusti nei pdc. Il PCS del combustibile è pari a 9994 kcal/m. Determinare il rendimento di combustione sia rispetto al PCS che al PCI. Il calcolo si svolge relativamente a 100 kg moli di gas. Moli per 100 moli di gas Moli C Moli H 2 Moli N 2 CH / C 2 H / N 2 1 / / 1 Totale Composizione dei fumi Costituente M Moli O 2 moltiplicatore O 2 teorico CO 2 +SO 2 O 2 N 2 H 2 O CO C CO / / / / C CO 12 / 0,5 / / / / / / H2 H2O ,5 107 / / / 214 / N / / / / 1 / / Totale O2 ex,, 959,9 9,2 TOTALI 255, 115, 960,9 25,2 O 2ex 0,15x222=, N 2 nell aria 255,x,76=959,9 Aria fornita O 2 +N 2 959,9+255,=1215,2 H 2 O nell aria 1215,2x29x0,02/18=9,2 Aria umida fornita 1215,2+9,2=1254,4 moli Totale fumi umidi 115+,+960,9+25,2+9,2= 162,4 moli Totale fumi secchi 1109,2 moli

Determinare il rendimento di combustione sia rispetto al PCS che al PCI. Il calcolo si svolge relativamente a 100 kg moli di gas.

4 Calore specifico molare dei prodotti della combustione CO2+SO2 O2 N2 Composizione dei fumi Moli 115, 960,9 Calore specifico molare (kj/kgmolek) 9,8 0,6 29, Calore specifico molare (kcal/kgmolek) 9,5 7, 7 Mcp(t2-t1) (kcal) , , Mcp H2O nell'aria Mcp H2O nei pdc calore latente Entalpia totale fumi umidi Entalpia sensibile H2O 25,2 4, 8, La temperatura t2 è quella di scarico dei fumi, mentre la t1 è quella dell aria di combustione (nel caso trattato 2 C). Il calore specifico molare va calcolato al valore medio fra le due temperature. Il PCS del gas naturale considerato è 9994 kcal/m. Il volume di 100 moli in condizioni standard (15 C e Pa) è: RT ,61 26,1 m p In totale l energia in gioco è data da 9994x26,1=2,618x107 kcal/100 moli Le perdite sono date da:,92806x106/2,618x107 = 0,166 rispetto al PCS Il PCI si può valutare da: V n /26,1=9048 kcal/m

temperatura t2 è quella di scarico dei fumi, mentre la t1 è quella dell aria di combustione (nel caso trattato 2 C). Il calore specifico molare va calcolato al valore medio fra le due temperature.

5 Perdite rispetto a PCI: /(9048x26,1)=0,079 Verifica sull eccesso d aria:, [ O2 ] 1109, 2 0, 266[ N ] [ O ] 959, 9 1, 2 2 0, 266 ( ) 1109, , , 2, 0, 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 m /m fumi secchi ovvero 120x10-6 moli/moli fumi secchi Strada A Volume standard fumi secchi V n RT p , m Volume di NO: 120x10-6 x26211=,15 m di NO da cui: Strada B n 15, , 1 moli di NO 814x x10-6 x1109,2=0,1 moli di NO massa molecolare di NO=0 da cui 0,1x0=4 kg ovvero Concentrazione di inquinanti: 4x10 6 /26211=152 mg/m Trasformazione in [O 2 ]=0% Le moli nei fumi diminuiscono complessivamente di, (eccesso di [O 2 ])x4,76=158,5 moli I fumi passano a 950,7 moli con un volume di: V n RT , m p Ora la concentrazione di inquinanti è: 4x10 6 /22466=178 mg/m Ovvero 0,1/950,7=178x10-6 /0=140 ppm Infine si può eseguire il calcolo in mg/kwh: 1 m di gas può fornire 9048 kcal, cioè 9048/860=10,52 kwh, ma con un rendimento del 92% ne rende 10,52x0,92=9,7 e produce 26211/26,1=11,09 m di fumi che contengono 152 mg di NO. Si ha quindi: , mg / kwh 9,7

A) 120 ppm=120x10-6 m /m fumi secchi ovvero 120x10-6 moli/moli fumi secchi Strada A Volume standard fumi secchi V n RT p 814 288 1109, 2 26211 m 10125 Volume di NO: 120x10-6 x26211=,15 m di NO da

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