Diese Präsentation wurde erfolgreich gemeldet.
Wir verwenden Ihre LinkedIn Profilangaben und Informationen zu Ihren Aktivitäten, um Anzeigen zu personalisieren und Ihnen relevantere Inhalte anzuzeigen. Sie können Ihre Anzeigeneinstellungen jederzeit ändern.

Principis energètics. Combustió (presentació)

1.159 Aufrufe

Veröffentlicht am

Veröffentlicht in: Bildung
  • Als Erste(r) kommentieren

  • Gehören Sie zu den Ersten, denen das gefällt!

Principis energètics. Combustió (presentació)

  1. 1. M4 Operacions de Serveis Auxiliars Pilar GonzálezAdaptat de MP3, Química Industrial. Elaborat per Lorena Muñoz/Marta Griera
  2. 2.  capacitat d’un sistema físic per produir treball fa possible la vida dels éssers vivents.A partir d’Einstein, sabem que la matèria i l’energia formen part de la mateixa realitat E = m. C2En formes diferents i no totes elles igualment aprofitables 2
  3. 3.  La més básica i fonamental és la que consumim mitjançant les vies metabòliques de la fotosíntesi de plantes verdes i de l’alimentació, gràcies a la qual el nostre organisme viu NO ÉS SUFICIENT → per això ens hem dotat de la tecnología. IMPORTÀNCIA ENERGIA ÉS CABDAL 3
  4. 4.  L’energia no s’exhaureix ni es consumeix, només es transforma. Açò podría fer pensar que la podem usar tantes vegades com siga posible, però açò no és cert. A l’Univers hi ha dues formes de materia/energía: la lliure o disponible i la no disponible, la suma de les quals és constant. 4
  5. 5.  3 fonts diferents d’Energia:1. Energia lliure rebuda del Sol (directament o per fotosíntesi, vent, salts d’aigua…)2. Energia lliure del sòl (aigua calenta, subterrània i activitat geològica)3. Energia dels materials fòssils emmagatzemada a l’interior del planeta (carbó, petroli, gas) 5
  6. 6.  L’energia va lligada a l’estructura i les propietats Parlem d’energia calorífica associada a la temperatura, energia química associada a la composició. 6
  7. 7.  Energia mecànica Energia química Energia calorífica Energia atòmica o nuclear Energia radiant o electromagnètica 7
  8. 8.  Consum actual d’aquestes energies crea un impacte ambiental, és per això que actualment es cerquen energies alternatives i les indústries s’adapten als problemes ambientals fent ús de tecnologies netes. 8
  9. 9.  Interaccions de l’ésser humà amb el medi en l’ecosistema responen a 3 tipus de funcions:1. Font de recursos naturals2. Suport d’activitats3. Receptor d’efluents i residusQualsevol activitat humana, en base a aquestes funcions exerceix sobre el medi una alteració que anomenem impacte ambiental 9
  10. 10.  mecanismes (autodepuració, efecte dispersant…) que han fet que siga capaç d’enfrontar-se als problemes de contaminació, donant-se així un equilibri ecològic. Desestabilització, de vegades irreversible degut a una alta concentració en el temps i en l’espai de certs contaminants i efectes. 10
  11. 11.  Front a aquesta situació i preocupació la legislació ha anat augmentant fixant límits més restrictius i aconsellant a les empreses les millors tècniques disponibles o tecnologies netes. 11
  12. 12. CONSUM D’ENERGIA El sistema energètic actual és intensiu en contaminació, sobreexplotació de recursos i centralització del poder. La correcció d’aquests efectes suposaria beneficis externs que mai es tenen en compte a l’hora d’avaluar el vertader preu de l’energia que consumim. 12
  13. 13. Estructura seria sostenible si: sistema intensiu de generació del treball respecte mediambiental descentralització de la generació energética aprofitant els recursos endògens i diversificats pel planeta. 13
  14. 14.  La dependencia d’una única font energética té riscos econòmics. La diversificació i l’aprofitament racional dels recursos genera economies més estables, sòlides i menys dependents. 14
  15. 15.  Les fonts d’energia primària: carbó, gas, petroli, nuclear i la resta, renovables o no s’usen per a l’obtenció de treball i calor. A partir de les diferents fonts d’energia es pot obtener electricitat, que és quasi sempre un pas intermedi per a la producció d’energia, transportar-la i distribuir-la. 15
  16. 16.  Al voltant del 75 % de l’energia primària consumida a l’actualitat a nivel mundial ve de combustibles fòssils• 17% gas natural• 25 % carbó• 36 % petroli• La restant ve de: hidroeléctrica, nuclear i tambe cal destacar com a noves les energies alternatives 16
  17. 17.  combustió de fusta o biomassa combustió de residus sòlids urbans Geotèrmica Biogàs Eòlica Solar tèrmica Solar fotovoltaica… 17
  18. 18.  Però l’actual sistema enèrgetic es basa fonamentalment en el consum del carbó, petroli i gas natural. Així que cal un canvi molt gran per a poder passar d’un tipus de sistema energètic a un altre. 18
  19. 19. ◦ ENTORN - W -qW +q SISTEMA 19
  20. 20.  Sistema obert. Bescanvia energia i matèria. Sistema tancat. Bescanvia només energia. Sistema aïllat. No bescanvia res. 20
  21. 21.  L’energia es transfereix entre sistemes i entorns en 2 formes generals: Treball Calor 21
  22. 22.  TREBALL: Energia utilitzada per a produir una cosa (moure o aixecar un objecte). Així, si apliquem treball sobre un sistema estem transferint-li energia. CALOR: Energia transferida d’un objecte més calent a un més fred. Podríem definir-la com l’energia transferida entre sistema i entorn degut a la diferencia entre les seves temperatures. 22
  23. 23.  “L’energia ni es crea ni es destrueix”, aquesta frase enuncia la primera llei de la termodinàmica, i és un resum al fet que la energia es conserva. D’aquesta manera qualsevol energia perduda pel sistema serà guanyada per l’entorn. 23
  24. 24.  A l’energia d’un sistema l’anomenen energia interna. L’energia interna és la suma de totes les energies cinètica i potencial d’un sistema. Si l’estat d’energia inicial és major que l’estat d’energia final, diem que el sistema allibera energia cap a l’entorn. Ef < Ei ; ∆U < 0 Si l’estat d’energia inicial és menor que l’estat d’energia final, diem que el sistema guanya o rep energia des de l’entorn cap al sistema. Ef > Ei ; ∆U > 0 Si ens centrem en una reacció química com a sistema, l’estat inicial són els reactius i l’estat final són els productes. 24
  25. 25.  L’energia interna d’un sistema canvia quan s’agrega o s’extreu calor, o quan realitzem un treball sobre el sistema o quan aquest realitza treball. Si augmenta l’energia : ∆U > 0 Si disminueix l’energia: ∆U < 0 ∆U = q + W 25
  26. 26.  El signe ve donat pel calor cedit o alliberat del sistema (q) ó del treball fet per o sobre el sistema (W) q > 0 SISTEMA ∆U > 0 W > 0 26
  27. 27. q + Guanya calor - Perd calor + Treball realitzat - Treball fet pelW sobre el sistema sistema + Guany net - Pèrdua neta∆U Energia Energia 27
  28. 28.  Quan es porta a terme un procés on el sistema absorbeix calor, el procés és coneix com endotèrmic. Un procés on el sistema perd calor, es coneix com exotèrmic. Durant un procés exotèrmic, com la combustió de la benzina, la calor surt o flueix cap a fora del sistema, és a dir, cap a l’entorn. 28
  29. 29.  El treball involucrat en l’expansió i compressió de gasos es coneix com treball pressió-volum (o treball P-V). Quan la pressió és constant,el signe de la magnitud de treball pressió-volum ve donats per: W = - P * ∆V P és la pressió i ∆V és el canvi de volum del sistema (∆V = Vfinal – Vinicial) 29
  30. 30.  Si el volum s’expandeix, ∆V és una quantitat positiva, i W és una quantitat negativa. És a dir, l’energia abandona el sistema en forma de treball, indicant que es tracta de treball realitat pel sistema sobre l’entorn. Si es comprimeix un gas, ∆V és una quantitat negativa ( el volum disminueix), fent que W sigui una quantitat positiva. 30
  31. 31.  La funció termodinàmica anomenada entalpia explica el flux de calor en els processos que ocorren a pressió constant, quan no es realitza un altre tipus de treball més que P-V. H = U + P*V L’entalpia és una funció d’estat*, ja que l’energia interna, la pressió i el volum també ho són. Quan ocorre un canvi a pressió constant, el canvi d’entalpia, ∆H, està donat per la següent relació: ∆H = ∆ (U + P*V) = ∆U + P*∆V ( pressió constant) 31
  32. 32.  És a dir, el canvi d’entalpia és igual al canvi d’energia interna més el producte de la pressió pel canvi de volum. Podem entendre millor el canvi d’entalpia, ja que si recordem ∆U = q + W i que el treball involucrat en l’expansió o compressió de gasos és W = - P * ∆V, si en l’equació subtituim –W per P*∆V i q + W per ∆U, tenim: ∆H =∆U + P*∆V =(q +W) – W = q 32
  33. 33. Com q és pot mesurar o calcular fàcilment, i com molts del canvis físics ocorren a pressió constant, l’entalpia és una funció més útil que la energia interna. En la majora de les reaccions, la diferencia entre ∆H i ∆U és petita, perquè P*∆V és petit. Quan ∆H és positiu (és a dir, quan q és positiu) el sistema ha guanyat calor, així és endotèrmic. Quan ∆H és negatiu (és a dir, quan q és negatiu) el sistema ha perdut calor, així és exotèrmic. 33
  34. 34.  ∆H > 0 ∆H < 0 Sistema Calor Sistema Calor 34
  35. 35.  La temperatura és una propietat dels cossos, que decideix en quina direcció té lloc la transferència d’energia tèrmica. En aquest sentit diem que és una mesura del nivell tèrmic d’un cos. L’energia que té un cos en funció de la seva temperatura s’anomena energia tèrmica. L’energia tèrmica que es transfereix quan es posen en contacte dos cossos a diferent temperatura s’anomena calor. 35
  36. 36.  Ens cal una escala de temperatures. La més utilitzada ha estat l’escala Celsius, coneguda popularment com escala centígrada. Els instruments de mesura de la temperatura s’anomenen termòmetres (al laboratori de vidre plens de mercuri o alcohol acolorit). Cal prendre dues temperatures de referència o punts fixos, en relació amb els quals qualsevol temperatura pot ser comparada. 36
  37. 37.  A l’escala Celsius aquests punts fixos són: ◦ La temperatura de fusió del gel pur, a la qual se li assigna el valor de 0 graus Celsius (0 ºC). ◦ La temperatura d’ebullició de l’aigua pura, quan bull sota una pressió atmosfèrica de 760 mm Hg, a la qual s’assigna el valor de 100 graus Celsius (100 ºC). 37
  38. 38.  Les molècules de qualsevol cos són en moviment continu. Com més calent és un objecte, més gran és l’energia cinètica de les partícules que el constitueixen (més ràpid es mouen) La transferència de calories entre dos cossos a diferent Temperatura finalitza quan les molècules de tots dos cossos tenen la mateixa energia cinètica en terme mitjà. Diem aleshores que els cossos tenen la mateixa temperatura. La temperatura és una mesura de l’energia cinètica mitjana de les molècules d’un cos. 38
  39. 39.  NO confondre la temperatura d’un cos amb l’energia tèrmica total que té aquest cos. (L’aigua bullent d’una cullera és a la mateixa temperatura que l’aigua bullent d’una olla, però l’energia que podem obtenir de l’aigua de l’olla és més gran que la de la cullera) 39
  40. 40.  A més baixa temperatura, més baixa energia cinètica. La temperatura on no hi ha moviment molecular és -273 ºC. Aquesta temperatura s’anomena zero absolut (no es pot baixar més). Escala amb origen el zero absolut és una escala de temperatura absoluta (l’escala Kelvin). Sistema Internacional. T (K) = T (ºC) + 273 A 0 K totes les substàncies són sòlides, no moviment, per tant, energia tèrmica nul·la; però hi ha presents altre tipus d’energia. 40
  41. 41.  L’energia tèrmica per produir un augment determinat en la temperatura d’un cos depèn de tres factors: ◦ La massa de la substància. Més massa, més energia que s’ha de proporcionar. ◦ El tipus de substància. Per la temperatura d’1 kg d’aigua cal quasi dues vegades més energia que per a 1 kg d’alcohol. ◦ L’increment de temperatura. Per a un material determinat, un augment de 10 ºC requereix deu vegades més energia que un increment d’1 ºC. 41
  42. 42.  la capacitat calorífica específica (ce) d’una substància és numèricament igual a l’energia tèrmica necessària per produir un augment d’1 ºC (1 K) en la massa d’1 kg d’aquesta substància. 42
  43. 43.  Energia tèrmica transferida = massa x capacitat calorífica específica x increment de temperatura q = m·ce·(T2 – T1 ) on q és la calor o energia tèrmica transferida a la substància. Equació per calcular l’energia tèrmica que una substància cedeix a una altra quan la seva temperatura disminueix, o absorbeix quan la seva temperatura disminueix.  1 cal = 4,18 J La ce de l’aigua: 1 cal/(g ºC) o 1000 cal/(kg ºC) o 4,18 J/(g ºC) o 4180 J/(kg ºC) 43
  44. 44. T (ºC) 150 Canvis d’estat L’energia tèrmica 100absorbida durant elprocés del canvi d’estat 50s’anomena calor latent. 2 6 10 14 t (min) 44
  45. 45.  LA DILATACIÓS, L i G augmenten el seu V quan ↑ la T. S’anomenadilatació tèrmica.• Dilatació dels sòlids. Té lloc en totes direccions.• Aplicacions: - Bigues de formigó - Vidre pyrex - Làmina bimetàl·lica (llautó-invar). Fabricació de termòmetres i termòstats. 45
  46. 46. • Dilatació dels líquids. Té lloc en totes direccions. En general, el líquids es dilaten més que els sòlids.• Aplicacions: - Fonament dels termòmetres (mercuri o alcohol). - S’ha de tenir en compte (cambra expansió dels radiadors - Excepció: l’aigua. De 0ºC a 4ºC es contrau, i després ja es dilata. A 4ºC el volum de l’aigua és mínim, densitat màxima. 46
  47. 47. • Dilatació dels gasos. Considerar com varia la p i el V al variar la T. Relació entres aquestes tres magnituds: lleis del gasos.• Llei de Charles i Gay-Lussac: a volum constant a pressió constant• Llei de Boyle-Mariotte: p1V1=p2V2 a temperatura constant• Llei d’Avogadro: V iguals de gasos diferents, en mateixes condicions de p i T, contenen el mateix nº de partícules (àtoms o molècules), n. (1 mol gas en c.n. ocupa 22,4 litres) 47
  48. 48. • Equació d’estat dels gasos ideals: Es tracta d’una llei general per als gasos ideals, però que es compleix amb força exactitud a baixes pressions en els gasos reals. pV=nRT p: pressió V: volum n: nº mols T:temperatura (K) R: constant dels gasos ideals, 8,314 J/mol·K, en SI, o 0,082 atm·l/mol·K• Llei de Dalton: La pressió total és la suma de les pressions parcials dels components individuals d’una mescla gasosa. pt = ∑pi 48
  49. 49. 49
  50. 50.  Principal font de calor a la indústria: • Gas natural • Petroli •Productes derivats + el carbó, representen el 85% de les fonts energètiques a Europa. 50
  51. 51.  Combustió: reacció química Combustible + x O2 (aire) → y CO2 + z H2O + Q Comburent: agent portador d’O2 Té lloc als cremadors. Dissenyats per diferents potències i combustible determinat. Forma d’obtenir energia molt eficient però presenta problemes:  contaminants  N2. Present a l’aire, absorbeix calor i resta eficàcia.  Combustió incomplerta (CO). Actuació en incendi. 51
  52. 52.  Segons l’estat  Sòlids. Carbó o fusta.  Líquids. Deriven del petroli. − Gasoil tipus C (A, B són per automoció). Recomanat per calderes i cremadors per la  viscositat,  poder calorífic i  cendres. − Fueloil. S’ha d’escalfar per ajustar la viscositat i poder alimentar el cremador.  Gasosos. Gas natural i propà. − Gas natural. Barreja d’hidrocarburs amb p.eb. molt baix. L’”amarg” conté H2S i el “dolç” no en conté. Segons l’origen  Combustible fòssil. Prové de restes vegetals i animals (carbó, petroli i gas natural). Petroli no és combustible tal qual, se n’obtenen els GLP (gasos liquats).  Combustible no fòssil. Fabricat a factories (gas manufacturat, H2, alcohol) 52
  53. 53.  Les més característiques són:  La composició  El poder calorífic  La viscositat  Límits d’inflamabilitat  El punt d’inflamabilitat  La temperatura de combustió  La densitat  El contingut de sofre  Alguns paràmetres relacionats amb el balanç de masses de la combustió estequiomètrica: relació aire-combustible, relació fums-combustible  Índex de Bacharach dels fums  Índex de Wobbe. 53
  54. 54. COMPOSICIÓ Permet determinar paràmetres estequiomètrics. Indica si és apte en funció de possibles contaminats. GAS: Habitualment es dóna en % en volum (c.n.). Trobem CnHm, CO2, CO, H2, O2, N2, SO2, SH2, H2O. LÍQUID O SÒLID: quantitat de C, H, S, N, O, H2O i cendres, en massa, per 1 kg de combustible.GAS NATURAL Gas Gas Diesel Parafina Leña Carbón Licuad Ciudad %C 72,2 81,0 29,5 86,3 85,9 45,3 %H 5,6 18,9 8,6 13,1 13,5 8,0 %O 11,8 0,0 46,8 0,0 0,0 46,4 %N 1,3 0,0 15,1 0,0 0,0 0,0 %S 1,7 0,0 0,0 0,6 0,6 0,4 54
  55. 55. PODER CALORÍFIC Quantitat d’energia despresa en la combustió, referida a una unitat de combustible (kJ/(kg, kmol, Nm3)). Diferents definicions segons si H2O(g) es condensa o no: PCS: poder calorífic superior. Q despresa amb combustible dessecat i aigua dels fums en forma líquida (c.n.) (PCS)h: igual que l’anterior però amb el combustible sense assecar. PCI: poder calorífic inferior. Q despresa amb combustible dessecat i aigua dels fums en forma gasosa. (PCI)h: igual que l’anterior però amb el combustible sense assecar. 55
  56. 56. 56
  57. 57. 57
  58. 58. 58
  59. 59. VISCOSITAT Important en combustibles líquids (efectes en emmagatzematge i transport). Valors tabulats i legislació sobre el valors màxims (mm2/s)DENSITAT Densitat relativa determina si el gas s’acumula en el sostre o en el sòl (fuga). Per combustibles líquids, expressió aproximada: ρ= 250 + 9,13 mC/mH (en kg/m3 a 15 º C) 59
  60. 60. PROPIETATS RELATIVES A LA INFLAMACIÓ Límits d’inflamabilitat.─ Propietat dels límits gasosos. Estableix la proporció, % volum, de gas-aire necessària per a la combustió.─ Dins d’aquest d’interval, el gas sí és inflamable.─ En una barreja de gasos s’empra l’equació de Le Chatelier-Coward─ Els gasos més inflamables són l’hidrogen i l’acetilè.─ Aquest límits depenen de molts factors (font ignició, contingut d’humitat, substàncies en suspensió...). Punt d’inflamació i Temperatura de combustió.─ Per a que es doni la combustió, la barreja a d’assolir una T mínima (punt d’inflamació). La calor alliberada manté la T per damunt d’aquest punt i la reacció continua.─ La T de combustió és la T màxima assolida durant la combustió. Es troba a la bibliografia. 60
  61. 61. CONTINGUT EN SOFRE Determina la quantitat de SO2 que es por formar. Aquest diòxid s’oxida a SO3, responsable de les pluges àcides. La presència de diòxid de sofre comporta que la temperatura dels gasos de combustió no pugui baixar de 170 ºC, ja que per sota d’aquesta temperatura pot condensar, sent molt corrosiu. Una forma per evitar la formació del triòxid, és controlar lexcés d’aire, establint el mínim necessari.ÍNDEX DE BACHARACH Si no hi ha prou aire, es formen “incremats” (sutge), sadhereix a les parets dels conductes i  coeficient de transmissió de calor global, el rendiment de la reacció . Quan  quantitat de partícules,  opacitat dels fums: Índex de Bacharach, enfosquiment d’un paper de filtre quan hi passa el corrent de gasos. Escala del 0 (blanc) al 9 (negre). 61
  62. 62. ÍNDEX DE WOBBE I POTENCIAL DE COMBUSTIÓ─ La de combustió d’un gas té lloc en un dispositiu anomenat cremador que gradua convenientment el cabal de gas i d’aire, per a una combustió correcta.─ De vegades és convenient canviar a un gas combustible diferent. Per a determinar si és possible intercanviar un gas per un altre, s’usen uns índex empírics: Índex de Wobbe i Potencial de combustió.─ Normalment es planteja el canvi de gasos de la primera i segona família per barreges d’aire butanat i propanat.─ CLASSIFICACIÓ DELS GASOS COMBUSTIBLES─ En funció del valor de W (Wobbe), els gasos es classifiquen en tres famílies: primera, segona i tercera. 62
  63. 63.  Primera família: gasos manufacturats, gas de coqueria i mescles hidrocarburs-aire (aire propanat i aire metanat) de  poder calorífic (4,65-5,5 kWh/m3(n)). Actualment està en desús. Segona família: gasos naturals, gas natural sintètic i mescles hidrocarbur-aire (aire propanat) de  poder calorífic (9,3-14 kWh/m3(n)). Tercera família: gasos liquats del petroli (GLP): propà i butà, amb PCS entre 27,9 i 36 kWh/m3(n). Les pressions d’ús normal en els artefactes segons les famílies del gas són les següents:  1ª Família: de 6 a 12 mbar.  2ª Família: de 17 a 22 mbar.  3ª Família: Butà (20-28 mbar); Propà (25-37 mbar); Butà/Propà (25-37 mbar) 63
  64. 64. Observació Odoritzant PCS en PCS en Índex de Límits Densitat Nom del ComponenFamília volum massa Wobbe d’infla- Gas t principal kWh/m3 kWh/kg MJ/m3 (n) mabilitat Tòxic,1ra. Gas manu- Metà+H2+ 19,13 a en <1 5,23 ------- 6 a 45Família facturat CO 27,64 desús2da. No 39,1 a Tetrahidro Gas Natural Metà <1 12,2 ------- 5 a 15Família tòxic 54,7 tiofè Inodor Incolor3ra. No 72,9 a GLP Propà >1 27,29 14,0 2,4 a 9,5 MercaptàFamília tòxic 87,3 Inodor Incolor No Butà 1 36,0 13,95 1,8 a 8,4 Mercaptà tòxic Inodor Incolor 64
  65. 65. ─ ÍNDEX DE WOBBE  Es representa amb la lletra W i es defineix a partir de la expressió: W=PCS/ (ρ)½  On ρ és la densitat relativa del gas respecte a l’aire en les mateixes condicions.  Pes bescanviar els gasos han de tenir, entre altres requisits, el mateix índex de Wobbe, així tindran la mateixa potència en el cremador.  En càlculs molt precisos, s’usa un índex corregit mitjançant factors que tenen en compte la viscositat: W ’ = W* K1 *K2  Per a obtenir els valors d’aquests factors s’utilitzen els gràfics corresponents. 65
  66. 66. ─ POTENCIAL DE COMBUSTIÓ O índex de Delbourg és un índex relacionat amb la velocitat de combustió del gas, té diferents expressions per a les diferents famílies de gasos. Es calcula en funció de la composició del gas amb ajuda d’expressions empíriques establertes per mitjans experimentals. La seva expressió ve donada per: C = u (vH2 + 0.3 vCH4 0.7 v CO + V v CnHm)/ρr on:₋ vH2, vCO, vCH4, vCnHm = % en volum present en el combustible.₋ u,V = paràmetres que depenen del tipus d’hidrocarburs presents en la composició, contingut en oxigen i hidrogen. Els valors de “V” i “u” es dedueixen mitjançant unes gràfiques corresponents als gasos de la primera i segona família. 66

×