Combustion (1ère partie)
Notions
I Rappels (structure de la matière, forces naturelles)
Noyau :
Protons masse 1g/mole charge positive
Neutrons masse 1g/mole neutre
Atome =
+Masse faible
charge négative identique proton
I-1 Généralités
Électrons:
Tableau périodique
Même nombre d’électrons sur la dernière couche
Même nombre couches
=>mêmes propriétés chimiques
Nb protons=
N° atomique
Nb nucléons=
masse atomique
Couches saturées
Gaz rares
Molécules= Groupements d’atomes
Sauf les gaz rares les atomes ne sont jamais seuls: ionisés ou couche extérieure non saturée =>
Liaisons de covalence
Corps pur Corps simple Mélange
1 mole=6,023.1023molécules, gaz (1atm 0°C)=22,4l
I-2 Quelques ordres de grandeur :Diamètre atomique :1Amström (10-10m) (molécules même ordre)
Distance intermoléculaire
Liquides, solides 3 Amström
=> denses et incompressibles
Gaz 30 Amström Vitesse 700m/s
Diamètre noyau, nucléons et électrons : 2.10-5Amström (10.000 à 50000 fois moins)
forces nucléaires : 1013J/mole (20.000xchimie)
forces électrostatiques inter atomiques: 5.105J/mole (chimie)
forces intermoléculaires: 5.104J/mole (Chg de phase)
II Équations chimiques globales
Avant: -stable
Après:+stable
3C+1O+1OO 1COO+1C+1CO
3C+O+O2CO2+C+CO
mavant=maprès
Équilibrer une équation chimique
H2+O2 H2O
Même nb d’atomes de même espèce de chaque côté
H2+(1/2)O2H2O : c’est équilibré
C + 2 02 C02 + 02 il y a trop d'oxygène 2 C + 02C02 + C il y a trop de carbone
C + 02 C02 le mélange C+O2 est stœchiométrique
Mélange stœchiométrique:
Tout le mélange initial peut devenir produits de réaction complète
Équilibrer l’équation de la réaction complète
II-2 Dosage:
CxHy + O2 CO2 + H2O
CxHy + (x + y/4) O2 x CO2 + (y/2) H2O
4
yxVaNa
,
yx
. Na .Ma
12
162
Gaz
Liquide ou solide
Pouvoir comburivore =
Équilibrons:
Q comburant
Q combustible
richesse R et facteur d'air :
Ma
m
m
Va
V
V
Na
n
n
Rréelc
a
réelc
a
réelc
a
1
e=-1 : excès d’air
29,1.
Ma
mc
ma
mc
VaVa
stoechNormalastoech
Pour les liquides ou les solides nous utiliserons aussi:
En Nm3d’air /kg
Pour un mélange quelconque:
Combustions d'hydrocarbures dans l’air
CxHy + (O2 + 3,77 N2) CO2 + H2O + N2
diluant
)4
(77,4y
xVaNa
43
439,34)12
84,28(
yx
yx
yxNaMa
Combustibles gazeux
Combustibles liquides ou solides
CxHy + (x+ y/4) (O2 + 3,77 N2) xCO2 + (y/2) H2O + 3,77 (x +y/4)N2
Alcanes : x=n, y=2n+2 =>17
1339,34
n
nMa
)3232412
(6,137oshc
Ma Généralisation: c,h,s,o teneurs pondérales
Ma alcanes ~ 15
43
439,34y
x
yx
Ma
Exemples: essence :c=84% h=16%
Ma=15,1gaz-oil ou fuel domestique :
c=85%, h=15% (autre<0,3%) Ma=15fuel lourd
c=85,9% h=10,5% s=3% n=0,24 o=0,36% Ma=13,6
Les pouvoirs comburivores massiques sont pratiquement identiques pour tous les hydrocarbures:
Ma = 15Pour les alcools il sont très différents :
Méthanol CH3OH : c=12/32=37,5%,h=4/32=12,5%,O=16/32=50%
Ma=6,45Ethanol C2H5OH :
c=24/46=52%,h=6/46=13%,O=16/46=35% Ma=8,93
)3232412
(6,137oshc
Ma
Nécessité du calcul
• 1°) Calcul du Cp des produits de combustion pour déterminer la chaleur sensible perdue
• 2°) Connaître XH2O pour connaître la chaleur latente perdue
• 3°) Faire un diagnostique de la combustion
II-3 Composition théorique des produits de combustion
1°) Combustion complète du carburant : >1 (Tout le C et H du carburant devient CO2 et H2O)
Hypothèses possibles:
2°) Combustion complète de l’oxygène : R>1 Tout l’H devient H2O, C devient CO et CO2, et pas d’O2 restant
3°) Combustion incomplète: Il reste toutes les espèces CO, O2, CH…
CxHy + (O2+3,77N2) CO2 + H2O + O2 + CO + N2
>1 1 (x+y/4) x y/2 -1)(x+y/4) 0 (x+y/4)
<1 1 (x+y/4) x-2(1-(x+y/4) y/2 0 2(1-(x+y/4) (x+y/4)
Calcul de la composition théorique:
)4
(77,3(
)4
)(1(2
yxx
yx
CO
CxHy + (O2+3,77N2) CO2 + H2O + O2 + CO + N2
>1 1 (x+y/4) x y/2 -1)(x+y/4) 0 (x+y/4)
<1 1 (x+y/4) x-2(1-(x+y/4) y/2 0 2(1-(x+y/4) (x+y/4)
Fumées du FOD hypothèse 2 x/y=0,5
0
5
10
15
20
0,5 1 1,5
%
CO2CO
02
Diagrammes d’équilibre
Le calcul est identique au précédent (hypothèse 2) mais:
• Il ya de l’hydrogène dans les fumées
• On suppose qu’il existe une réaction d’équilibre (gaz à l’eau):
• Cet équilibre est conservé à basse température (trempe des produits de combustion)
Diagramme d'équilibre du FOD x/y=0,5
0
5
10
15
20
0,5 1 1,5
%
CO2
H2
CO
02
OHCOHCO 222
RP
Combustion
Travail WeChaleur Qe
Réactants Produits de combustion
III Thermodynamique de la combustionIII-1 premier principe
Premier principe en système ferméWe+Qe=UP-UR
Conservation de la quantité de matière: mP=mR=m
Origine des fonctions thermodynamiques (indice 0)U’P= UP-UP0 , U’R= UR-UR0
1er Ppe SF: We+Qe = U’P -U’R+(UP0 -UR0)=>We+Qe -( UP0 -UR0)= U’P - U’R
Définition: chaleur de réaction isochore : Qc= -( UP0 -UR0)
Premier principe SF avec combustion: We+Qe+Qc= U’P - U’R
Qc + :réaction exothermique (cas des combustions) (Produits réaction exothermique plus stables : U plus faible)
dTCvdTCv - uuTr
R
Tp
PRP 298298
''
Hypothèse GI :
u’P - u’R =CvP(TP-298)- CvR(TR-298)
CvP CvR
TR 298K.
Calcul du second membre:
=>u’P - u’R =CvP(TP-TR)
Hypothèse GP:
Réactants Produits
Pi,
Système ouvert:
Premier principe en système ouvertWi+Qe=HP-HR
On pose H'R=HR-HR0 et H'P=HP-HP0
HR0 et HP0 enthalpies de réf. des gaz frais et produits de combustion
La chaleur de réaction isobare. Q’c=-(HP0 - HR0)
Le premier principe système ouvert avec combustion:
Wi+Qe+Q'c=H'+Ep+Ec
Sous forme de puissance et en généralisant :
Pi++Pc=qms(h’s+eps+ecs)-qme(h’e+epe+ece)
H=U+pV =>Q'c=-( HP0 - HR0)=-( UP0 -UR0+p0VP0 – p0VR0)
=Qc – (p0VP0 – p0VR0)
Hypothèse de GP: pV=nRT =>Q’c=Qc-(nP-nR).RT0
=>Qc=Q’c à 0,1% près => négligé
Calcul du second membre:
Hypothèse de GP: Tr
R
Tp
PRP dTCpdTCphh298298
''
Chaleur de combustion à pression et à volume constant:
Hypothèse GI: h’P - h’R =CpP(TP-298)- CpR(TR-298)
CpP CpR=>h’P - h’R =CpP(TP-TR)
Enthalpie de formation:
Référence: corps simple dans son état le plus stable= (Hcorps simple)25°,1atm =0
Enthalpie de formation=Hf0= (Hcorps composé)25°,1atm =-Q’c
Exemple: OHO2
1H 222 Q’c=241,8kJ/mole
=> HfoH2O=-241,8kJ/mole
Hf0CO2=-393,5kJ/mole
Hf0CH4=-74,9kJ/mole Autres exemples:
Liaison C-H C-C C=C C-O H-H O-H O=O C=O Graphite Cgaz
EnergiekJ/mole 415 345 609 357 432 462 493 803 718
Énergie de liaison:
Exemple: OHO2
1H 222
briser 1 liaison H-H, ½ liaison O=O et recréer 2 liaisons O-H. =>
molekJcQ /5,245462.2)4932
1432('
II-2 Pouvoir calorifique:
ecombustibl Quantité
QcPC
Quantité de combustible en: - Nm3 pour les gaz
- kg pour les liquides ou les solides
Notation: PC Inférieur IP,IV (eau fumée vapeur)
PC Supérieur: PP,PV (eau fumée condensée)
Chaleur de combustion massique
Trois cas:
- Combustion complète du carburant:
1c1.
.
Ma
Ip
m
mcIpqc
- Combustion totale de l’oxygène:
RMa
Ipqc
c
Évolution théorique de la chaleur et du rendement de combustion
La combustion théorique optimale est stœchiométrique
- Combustion incomplète:
PC=PCM-PI
Avec : PCM =qmCIp (liq ou solide), gaz: qvCI’p
Imbrulés gazeux=>qvI=XI. qvP
I: Teneurs par rapport aux fumées sèches: XI=I.(1-XH2O)
PI =qvP.(1-XH2O) I.I’pI
CM
I
CM P
P
P
Pcc 1
Valeurs pratiques:qvP=0,78.qmP
XH2O =13% (hydrocarbure lourd) à 19% (méthane) Si >1:
I’pCO=12600kJ/Nm3 et I’pH2=10760kJ/Nm3
Équations d’équilibre à haute température: Pour les moteurs (équilibre supposé à 1850°C) :CO /H2 =8x/y
Pour les fours ou chaudières (1450°C) : CO /H2 =5x/y
Pour les hydrocarbures lourds : x/y~1/2.Exemple pour le fuel c=85%, h=15%, x=c /12, y=h
x/y=0,47
Les analyseurs ne donnent que CO=>
PI =qvP.(1-XH2O) I.I’pI
OH
OH
XX 2
2'
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